Zum ersten Mal wurde direkt gemessen, wie lange ein durchschnittliches Protein braucht, um seine räumliche Struktur anzunehmen. Die Ergebnisse waren überraschend: Es wurde kein Zusammenhang zwischen der Sequenz oder Größe des Proteins und der Zeit, die es braucht, um sich in seine räumliche Form zu falten, festgestellt. Proteine scheinen sich effizienter zu falten als andere biologische Moleküle, wie z. B. die DNA, obwohl sie viel komplexer sind. Die Ergebnisse der neuen Forschung sind in Physical Review Letters veröffentlicht.

Die Funktionen von Proteinen sind eng mit ihrer räumlichen Struktur verknüpft. Sie haben spezielle Taschen oder Ausstülpungen, die es ihnen ermöglichen, sich an Zellrezeptoren anzuheften und Nachrichten zu senden. Aber so komplex die endgültige Struktur auch sein mag, jedes Protein beginnt seine Existenz als eine Kette von Aminosäuren, wie eine lange Spaghetti-Nudel, die auf unzählige Arten gefaltet werden kann, sagt Hoi Sung Chung, Mitautor der Studie, in der die Ergebnisse vorgestellt werden, und Forscher am NIDDK in Maryland. Unsachgemäß oder unvollständig gefaltete Proteine können zu Funktionsstörungen, Krankheiten oder Toxizität führen, weshalb Experten seit langem versuchen, die Einzelheiten dieses Prozesses zu verstehen.

Wenn identische Proteinmoleküle in einem Reagenzglas schwimmen, erreichen sie alle zu unterschiedlichen Zeiten ihre endgültige Raumstruktur, und jedes von ihnen durchläuft auf dem Weg dorthin eine Reihe fehlgeschlagener Experimente. Aus früheren Studien wussten die Forscher bereits, wie lange der gesamte Faltungsprozess einschließlich der Fehlversuche normalerweise dauert. Aber bisher war es praktisch unmöglich, die genaue Dauer des Faltungsprozesses, auch als Übergangszeit bezeichnet, zu messen.

Es handelt sich um eine sehr kurze Zeitspanne, die für einzelne Moleküle bestimmt werden muss. Bislang haben Experten Einblicke in den Faltungsprozess gewonnen, indem sie ihn künstlich verlangsamt oder ungewöhnliche Proteine beobachtet haben, die sich langsam falten. Die Gruppe von Chung hingegen hat die Übergangszeit mit einer Methode namens Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie direkt aufgezeichnet.

Die Experten befestigten ein rotes Farbstoffmolekül an einem Ende der Aminosäurekette und ein grünes am anderen Ende. Der grüne Farbstoff sendet von sich aus Licht aus, während der rote Farbstoff nur aktiviert wird, wenn er Energie vom grünen Farbstoff erhält. Bevor sich die Aminosäurekette zu falten beginnt, ist also nur die Fluoreszenz des grünen Farbstoffs sichtbar. Wenn sich die Kette zu falten beginnt, nähern sich die beiden Farbstoffmoleküle einander an, so dass Energie vom grünen auf das rote Molekül übertragen wird, das dann zu leuchten beginnt. Dieses Licht war jedoch für die Experten zu schwach, um es zu erkennen. Deshalb verwendeten sie ein Gerät mit nanometergroßen Vertiefungen, die das Signal verstärkten. So konnten sie den kurzen Prozess der Faltung von acht verschiedenen Proteinen beobachten.

"Dies ist einer der bedeutendsten Fortschritte auf diesem Gebiet in den letzten Jahren", sagt Dmitrii Makarov, Physiker an der Universität von Texas. Die Beobachtung der Faltung erforderte eine sehr geringe Anzahl von Photonen, so dass es eine echte technische Meisterleistung ist, dies geschafft zu haben. Und was wirklich beeindruckend ist, ist, dass sie es nicht nur für ein Protein, sondern für acht geschafft haben, was es ihnen ermöglicht hat, einige interessante Fragen zu stellen", fährt er fort.

Die kürzeste Dauer des Übergangs betrug weniger als eine Mikrosekunde, und die langsamste Faltung dauerte etwa vier Mikrosekunden. Die Geschwindigkeiten standen jedoch nicht im Zusammenhang mit der Größe, Länge, Sequenz oder gefalteten Struktur des Proteins, sondern korrelierten mit der Anzahl der Wechselwirkungen zwischen den Aminosäuren im gefalteten Protein. Je mehr solcher Wechselwirkungen, desto effizienter faltete sich das Protein. Makarov sagt, dass dies durch theoretische Modelle vorhergesagt wurde, und es ist sehr spannend, die Theorie bestätigt zu sehen.

Laut Chung deuten die Forschungsergebnisse auch darauf hin, dass sich Proteine tatsächlich schneller falten können als andere biologische Moleküle, wie etwa die DNA. Letztere besteht aus nur vier Grundeinheiten, den so genannten Basen, von denen sich jede nur mit einer anderen Base in der endgültigen Struktur verbinden kann. Proteine hingegen bestehen aus 22 verschiedenen Aminosäuren, zwischen denen viel mehr Wechselwirkungen möglich sind.