Stuff for your mind

September 28, 2011

Once in a while it’s good to develop a new perspective on the things  which surround you. The following artists impression does this in two distinct ways. And it’s funny, too.

I believe that it’s originally from abstrusegoose.com. This site has some pretty hilarious stuff to offer, but I actually found it at Popperfont which is also a nice place. In the first place I only found those pages because I was looking for a descent science blog which could teach me some interesting things in lab-waiting -periods. I found a very nice one here (selection of 60+ good science blogs). To get a first idea, begin reading this blog entry over why neutrino particles may or may not be traveling faster than light. It’s pretty interesting and makes clear that physics is real world science with all the challenges attached to it. Helps to prevent to see the world as depicted above (although this is also fun at times!).

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Approximately 250 gram of this chemical in our body give us the power to do what we want. Ok, the “power” (or better lets call it chemical potential energy from now on) we are talking about here is not free or pure. Actually, this potential energy originating from ATP (also called adenosine triphosphate) is stored in the covalent phosphoanhydride bonds which can be seen in Fig. 1 (red circles). I really like this molecules because every day I encounter its enormous significance for biology. In almost every biochemical reaction, every folding, or cell dynamical process there is almost a 100% certainty that ATP will be encountered. Per mol ATP 7.3 calories are released when one of the named phosphoanhydride bonds is broken. Because of the presence of two of these high-energy bonds ATP is present in large amounts in every cell and serves as the energy currency of the cell.

Fig. 1: A molecule of ATP. It is composed of three phosphate groups which are interlinked by phosphoanhydride bonds (red circles), a ribose sugar (circular molecule in the middle of the structure), and the so-called purine base adenosine. The four nucleotides that make up the DNA have actually a similar structure: Only two of the three phosphates are removed, one hydroxyl of the ribose is exchanged for a sole proton, and the bases are varying between purines and pyrimidines.

ATP is so special because some of its subparts. The two most important parts which lend ATP these behaviours are ADP, which is just missing one phosphate, and the other part is, what a surprise, the missing third phosphate called Pi. At neutral pH 7, which is usually is present in living cells, these to parts are strongly negatively charged. Two charges of the same kind do not combine very well. That is why the cell uses a lot of potential electrical energy called the proton-motive force (pmf) across the mitochondrial membrane to combine these charges via a protein called ATPase. Electrons required for the build-up of the pmf are transported across the mitochondrial membrane through the breakage of other energy storing chemical bonds in for example sugars during the process of glycolysis (oxidation reactions). The electron gradient of the pmf thus delivers the energy to let the endergonic reaction occur in which the  ADP and Pi molecules fuse into a newly formed covalent phosphoanhydride bond via ATPase. Since bonds release energy when they are cleaved, the already mentioned 7.3 calories/mol are available for doing work now. Using the chemical energy which was saved within these bonds, ATP can be used to transform this energy via one or more of so-called “energy coupling” reactions into mechanical kinetic energy. Resulting movement is often mediated by protein molecules which can now catalyze new chemical reactions or assist in folding other proteins due to their changed conformational state which “pushes” them into the right native state. But also “normal” movement can be induced, like the famous “power stroke” in which the muscular proteins actin and myosin are involved. Millions of power strokes at the same time finally result in the enormous strength a human leg or arm muscle can have.

All this and much more is based on this beautiful and relatively simple molecule. Fig. 2 depicts a self-made balls-and-sticks 3D model of ATP which is orientated in the same way as in Fig. 1. When observing carefully the same chemical groups which are also described in Fig. 1 can also be traced back here as well.

Fig. 2: A 3D ball-and-stick model of ATP. Atoms, bonds, and spacial forces between atoms can be clearly seen.

All depictions of chemical structures in this article were created by myself by making use of the program ACD/ChemSketch product version 12.01.

An overview for German speaking non-biologists about the research I do at the department of Molecular Microbiology at Rijksuniversiteit Groningen:

Mein Master an der Rijksuniversität Groningen, die mit 25,000 Studenten die dritt größte und zweit älteste des Landes ist, nennt sich „Molecular Biology and Biotechnology“. Um den ersehnten Master am Ende auch zu erhalten muss viel praktische Labor- und Forschungserfahrung gesammelt werden. Zwei Elemente sind hierfür vorgesehen. Diese decken ein Drittel bzw. ein Viertel der ganzen Studienzeit ab. Mit dem längeren Projekt, welches bis Mitte März dauern wird, beschäftige ich mich gerade.

Diese Übersicht habe ich vor allem geschrieben, weil ich es schade finde, dass ich meistens nur mit Leuten über mein Fach rede, die eh schon sehr viel davon verstehen. Menschen deren Fokus nicht so auf der Biologie liegt, bleibt diese spannende Welt oft völlig verschlossen. Ich finde es jedoch wichtig, dass man ein wenig Ahnung davon hat was Gentechnik, Stammzellen und andere Elemente der modernen Biologie eigentlich sind.

Wenn man sich den Namen meines Masters anschaut wird schon ein bisschen deutlich worum es geht. Ein „Molekül“ ist jeder Stoff, der aus mehr als einem Atom besteht. In der Molekularbiologie schaut man sich also die kleinsten Bausteine des Lebens an. Diese sind:

(1)   Proteine

(2)   Zucker

(3)   Fette

(4)   Nukleinsäuren (die DNA könnte man sagen)

Man weiß wie sie aufgebaut sind, aber man weiß in den allermeisten Fällen nicht was sie machen, zumindest im Detail. Kompliziert wird es dann, wenn diese vier Stoffe alle in Interaktion miteinander treten. Und so ist das nun mal im echten Leben. In den Gebieten (1) und (4) wird die allermeiste Forschung betrieben, denn die Vorgänge die bei diesen zwei Molekülen auftreten sind sehr interessant. Sie formen die Grundlage des Lebens und steuern viele Prozesse die uns zu dem machen was wir sind. Diese Prinzipien sind schon uralt und die basalen Elemente sind in allen Lebewesen zurück zu finden. Weil die Forscher noch recht wenig wissen fängt man deswegen nicht beim Menschen an zu forschen. Man würde den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen (das gilt übrigens für fast alle Lebewesen). Ein bisschen einfacher machen es uns Bakterien, Schimmel, Hefe, bestimmte Würmer und die Fruchtfliege. Aus diesen unappetitlichen „Tieren“ stammt ca. 90% allen Wissens über das Leben. Als molekularer Mikrobiologe beschäftige ich mich zur Zeit mit den Proteinen (also Molekülgruppe (1)) der Bakterien.

Das zweite wichtige Wort im Namen meines Masters ist „Biotechnologie“. In diesem Teilbereich der Biologie probiert man Erkenntnisse aus der molekularen Biologie, die ich oben kurz beschrieben habe, zu benutzen um daraus (industrielle) Produkte herzustellen. Ein Biotechnologe ist also eine Art Ingenieur. Viele Impfstoffe oder Medizinprodukte wie z.B. Insulin werden schon auf diesem Wege gewonnen. Auch genveränderte Pflanzen, für die man z.B. keine Pestizide mehr benötigt, sind Produkte dieses Zweiges. Die Forschung konzentriert sich derzeit vor allem auch noch auf einen dritten Teilbereich: Die Herstellung alternativer Energieformen. So kann man z.B. Algen nutzen oder manche chemische Reaktionen die Bakterien ausführen. Im Grunde genommen geht es darum, dass man einen Stoff der für den Menschen eher unpraktisch ist, in einen überführt der als Brennstoff nutzbar ist. Es gibt hier einige vielversprechende Ansätze, aber wie man an den Tankstellen sehen kann, hat sich noch nicht wirklich etwas durchgesetzt.

In der ganzen Molekularbiologie und Biotechnologie gibt es allerdings ein riesen Problem, welches man folgendermaßen übersetzten könnte: Nur weil man alle Namen der Schachfiguren und die Spielregeln kennt, ist man noch lange kein guter Schachspieler. Die Namen der Schachfiguren kennt die moderne Biologie so langsam. Bei den Spielregeln fängt man gerade an. Ein guter Schachspieler zu werden wird noch sehr, sehr lange dauern. Glück für mich und meine Mitstudenten: Es wird noch auf Jahrzehnte hinaus nicht langweilig werden uns es gibt noch sehr viel zu entdecken.

Nun wisst ihr also ein bisschen womit sich die Biologie beschäftigt, über die ich die letzten paar Jahre einiges gelernt habe. Nun aber endlich etwas konkretes, denn mein Ziel ist ja zu erklären, was ich eigentlich genau im Labor mache bzw. woran ich arbeite und arbeiten werde. Man kann das alles mit sehr vielen Details aus der Chemie und Physik erklären. Man kann es aber auch lassen. Blitzmerker werden deswegen wahrscheinlich an der einen oder anderen Stelle etwas auszusetzen haben, aber das ist ja egal.

Hierfür ist allerdings einiges an Vorwissen nötig, das alle Leute die vor den 80er Jahren die Schule beendet haben wahrscheinlich nicht haben. Das Wissen gab es nämlich noch nicht. Ich hoffe der Weg zum Ziel ist aber trotzdem spannend. Ich habe ihn in einige Etappen aufgeteilt, sodass man immer mal eine Verschnaufpause einlegen kann und nicht den Faden verliert. Mit jeder Etappe zoomt man ein Stück weiter in die Materie hinein. Man zoomt aber auch in Wirklichkeit immer weiter hinein, denn die Dimensionen werden immer kleiner werden, bis wir fast beim Atom ankommen. Die kleinen „Kapitel“ heißen:

(1)   Was ist eine Zelle und wie ist sie aufgebaut

(2)   Proteine werden in Zellen gemacht

(3)   Form folgt Funktion – Auch bei Proteinen

(4)   Proteine müssen aus der Zelle heraus – Ein Tunnel ist nötig

(1) Was ist eine Zelle und wie ist sie aufgebaut

Das Leben ist eine Zelle. Die meisten Lebewesen auf der Erde bestehen nämlich nur aus einer Zelle und auch wir kommen ursprünglich aus diesem Stadium. Das System „Zelle“ ist nämlich so effektiv und genial, dass die simpelsten Bausteine schon seit mehr als 3.5 Milliarden Jahren bestehen. Auch ein Mensch besteht aus vielen, vielen Zellen. Man kann sie alle in verschiedene Gruppen einteilen wie Leberzellen, Hautzellen, Nervenzellen etc. Alle sehen etwas anders aus und erfüllen natürlich verschiedene Funktionen. Die basalen und wichtigen Prozesse um die es hier geht, sind allerdings überall gleich. Auch der Aufbau ist sehr vergleichbar. Weil ich mit Bakterienzellen arbeite und sie etwas simpler sind als eine menschliche Zelle stelle ich hier auch eine Bakterienzelle vor (Bild 1).Bild 1: Eine Bakterienzelle. Für uns ist das wichtigste an dieser Zelle die DNA, die zusammengerollt in der Mitte der Zelle liegt und alle Lebensinformationen enthält. Zweitens sind die Ribosomen (kleine Punkte) wichtig, die aus der DNA Proteine machen. Proteine werden für wirklich fast alles in und auch außerhalb der Zelle benötigt. Drittens brauchen wir die Zellwand (grün, gelb, rot). Sie schützt die Zelle und ermöglicht ein geschlossenes System, in dem Reaktionen möglich sind die nichts direkt mit der Umwelt zu tun haben. (http://en.wikipedia.org/wiki/Prokaryote)

Bei Menschen würde diese Zelle etwas anders aussehen. Da sich die meisten menschlichen Zellen nicht bewegen müssen, haben sie keinen Schwanz und die DNA liegt noch mal extra in einem Kern geschützt. Außerdem liegen natürlich noch ganz viele Zellen drum herum, die so z.B. die Haut formen. Eine Zelle produziert also Produkte (meistens Proteine) die vielleicht auch für umgebene Zellen sehr wichtig sind. Das können Hormone oder Enzyme (die chemische Reaktionen schneller verlaufen lassen) sein. Eine Bakterienzelle ist alleine schon komplett. Sie scheidet höchstens Stoffe aus um mit anderen Bakterien zu kommunizieren (ja, wirklich), sich irgendwo festzukleben oder der Person zu schaden in deren Nase sie sich gerade befindet.

In meinem Projekt geht es vor allem darum herauszufinden wie solche Proteine, die in der Zelle gemacht werden, auch aus der Zelle heraus kommen können. Hierfür müssen sie natürlich durch eine Art Kanal. Wie dieser Kanal funktioniert und wie er aufgebaut ist, darum geht es. Zwischen Bakterien und Menschen besteht, was diesen Aspekt betrifft, kein großer Unterschied.

Aber wie werden Proteine jetzt eigentlich gemacht? Das ist sehr wichtig, denn Proteine braucht man für wirklich fast alles. Im nächsten Kapitel dazu mehr.

(2) Proteine werden in Zellen gemacht

Proteine haben viele Funktionen. Sie können beim Ablaufen von chemischen Reaktionen helfen (Enzyme), Botschaften überbringen (Hormone), Strukturen formen (Kanäle, Fasern etc.) und vieles mehr.

Wie Proteine nun wirklich gemacht werden ist aber erst seit den 70er Jahren deutlich. Man nennt den Prozess „Proteinbiosynthese“. Dieses komplizierte Wort beschreibt den Prozess während dem aus DNA Proteine werden. Bild 2 gibt einen Überblick über diesen Prozess (Wenn er zu verwirrend erscheint, kann er auch erstmal Überschlagen werden. Mit meinem Forschungsgebiet hat er nämlich direkt nichts zu tun).

Bild 2: Die Proteinbiosynthese. Via mRNA wird die DNA in Ribosomen zu Proteinen übersetzt. Für eine detaillierte Erklärung siehe unten. (http://www.vcell.de/proteinstation/proteinstation-proteinbiosynthese-die-fabrik/)

In der Zelle befindet sich die doppelsträngige DNA. Dies ist ein Molekül aus zwei Fäden Nukleinsäure die die Erbinformation enthält. Diese wird überschrieben in mRNA während die DNA erhalten an ihrem Platz bleibt. mRNA ist eigentlich das gleiche wie DNA, aber ist kürzer und hat nur noch einen Strang aus Nukleinsäure (wie oben zu sehen ist). mRNA codiert nur für die Proteine die gerade benötigt werden. Das Abschreiben der ganzen DNA würde viel zu lange dauern und wäre unpraktisch. mRNA besteht aus vier verschiedenen Nukleinsäuren (die vier Farben). Diese formen immer Dreier Gruppen (Kodon, siehe oben). Es gibt also 43 = 64 mögliche Kombinationen. Diese 64 Möglichkeiten nennt man den genetischen Code.

Im nächsten Schritt kommt neben der mRNA noch die tRNA ins Spiel. Passend zum Code-Stück der mRNA (eines von 64), bietet sie einen Proteinbaustein an. Proteinbausteine nennt man Aminosäuren. Nur ein Typ Aminosäure passt spezifisch auf jedes Code-Stück. Im Schutze des sogenannten Ribosoms (siehe oben) findet dieser Prozess des „sich findens“ statt. Da es chemisch gesehen nur 20 Proteinbausteine gibt, aber 64 Codierungsmöglichkeiten vorhanden sind, sind die meisten Proteinbausteine dreifach codiert (3 x 20 = 60). Die vier übriggebliebenen Stücke (64 – 60 = 4) dienen als Start und Stop Signale.

In dem dieser Prozess hunderte oder tausende Male stattfindet wird aus den codierten Proteinstücken Anhand der Anleitung (mRNA) langsam erst eine Kette und nach dem Prozess des „Faltens“ ein ganzen Protein (siehe oben).

Für diesen Übersetzungsprozess im Ribosom gab es 2009 den Nobelpreis in Chemie. Eine wirklich gute und noch ausführlichere Erklärung gibt es hier.

(3)  Form folgt Funktion – Auch bei Proteinen

Die Funktion eines Proteins hat auch immer Einfluss auf seine äußere Form (oder eben andersherum… wer weiß das schon). Ein kleines Beispiel hierfür ist Bild 3, das einen HIV Virus zeigt mit vielen Proteinen und ihrer Position an oder im Viruspartikel.

Bild 3: Ein Virus (HIV) und seine Proteine. Die Funktionen können vielfältig sein von Kanalprotein bis Rezeptoren und deshalb sind auch die Formen unterschiedlich. (David S. Goodsell, RCSB PDB)

Die Kanal- und Motorproteine an denen ich arbeite sehen auch sehr verschieden aus, weil sie verschiedene Funktionen erfüllen. Im Großen und Ganzen geht es um die Kanalstücke die wiederum andere Proteine aus der Zelle heraus befördern. Diese Proteine wurden wie in Bild 2 dargestellt hergestellt und können Formen haben wie in Bild 3. Im nächsten kleinen Kapitel mehr darüber.

(4)  Proteine müssen aus der Zelle heraus – Ein Tunnel ist nötig

Die Forschungsgruppe von Professor Driessen und ich sind also daran interessiert wie Proteine die Zelle verlassen. Da die Membranen der Zellwand wegen ihrer chemischen Eigenschaften nicht durchlässig für Proteine sind, müssen diese via Kanälen nach draußen.

Details dieses Prozesses zu kennen und zu verstehen ist wichtig, denn ca. 30% aller Proteine verlassen früher oder später die Zelle und ca. 60% (!!) aller Medikamente interagieren mit solchen oder ähnlichen Zellmembrankanälen.

Es gibt also zwei Fragen: Erstens, wie ist der Kanal aufgebaut (ein, zwei, oder mehr Teile) und zweitens durch welchen Motor-Mechanismus erfolgt die Ausscheidung der Proteine (eine Art schieben oder ziehen oder geht es vielleicht von „selbst“?). Hierfür ist es wichtig die atomare Struktur der Kanal-Proteine, aber auch die der Motor-Proteine zu kennen. Sobald man diese kennt, kann man Anhand von chemischen und physikalischen Prinzipien ableiten, wie sich bestimmte übergeordnete Molekülstrukturen bewegen. Ich finde die Biologie auf dieser kleinen Ebene sehr spannend, denn sie erklärt manchmal ganz einfach im Legosteinprinzip wie essentielle Prozesse funktionieren. Bild 4 zeigt wie einzelne Atome ein viel größeres Protein formen, welches man dann weiter untersuchen kann.

Bild 4: Links sieht man die Primärstruktur des Proteins aus den Atomen Wasserstoff (weiß), Kohlenstoff (schwarz), Sauerstoff (rot) und Stickstoff (blau). Jeder dieser, auch in Bild 2 genannten 20 Proteingrundbausteine (Aminosäuren), hat seinen typischen atomaren Aufbau. Die Sekundärstruktur wird nun aus diesen 20 Aminosäuren geformt und bildet entweder einer Helixform oder ein Faltblatt. Welches Konstrukt geformt wird hängt von den elektrischen und atomaren Eigenschaften der Aminosäuren in Wechselwirkung mit dem umgebenden Zellwasser ab. Zusammen ergeben diese Helices (Spiralen) und Faltblätter dann das fertige Protein als Tertiärstruktur. Experimentell festgestellt wird meistens die Tertiärstruktur (via Röntgenchrytallographie). Es kann allerdings auch versucht werden Anhand der DNA auf die Struktur zu schließen. Dies ist allerdings noch sehr schwierig und gelingt nur teilweise. (MaxPlanckForschung 4/2003)

Viele Medikamente greifen die in Bild 4 rechts dargestellte Tertiärstruktur der Proteine an. Durch Bindung oder das Auslösen einer bestimmten chemischen Reaktion wird die Form des Proteins geändert. Da die Form sich verändert hat, kann das Protein nun auch nicht mehr seine ursprüngliche (krankmachende) Funktion ausführen. Um gute Medikamente entwickeln zu können, ist es darum sehr wichtig das Ziel des Medikaments extrem gut und detailreich zu kennen. Ansonsten kommt es zu Nebenwirkungen, da das Medikament auch Proteine angreift die ähnlich aufgebaut sind, aber eben nicht das Ziel sind.

Aber kommen wir zurück zur ersten Forschungsfrage rund um die Kanalproteine. Sie lautet: Wie ist der Kanal aufgebaut? Des Weiteren sind auch ein paar Teilfragen sehr wichtig: Besteht der Kanal aus einem, zwei oder sogar drei Stücken? Und wie ist die dreidimensionale Anordnung des Stücks oder der Stücke zueinander und zur Umgebung? Und: Lassen sich auf Basis dieser Struktur Annahmen über die Funktionsweise machen? Also legen wir los.

Zum Glück wurde in den letzten Jahren schon viel über die Struktur dieser Kanäle heraus gefunden. Es ist deswegen praktisch die ganze Sache einfach an Hand eines Bildes zu erklären (Bild 5). Vielleicht wirkt diese Struktur verwirrend, eigentlich ist es aber nur eine Abwandlung der Tertiärstruktur rechts in Bild 4 die auch Helices (Spiralen) und Faltblätter enthält.

Bild 5: Der SecYEG Kanal und seine Lage in der Zellmembran. Der obere hell gräuliche Teil des Bildes zeigt schematisch die Zellmembran und darin in dunklerem Grau den SecYEG Kanal der die komplette Zellmembran überbrückt. Mithilfe eines Stopfens („plug“) der aus Aminosäuren besteht, ist der Kanal verschlossen wenn er nicht aktiv ist (schwarz dargestellt). Im aktiven Zustand bewegen zwei SecA Proteine (weiße Ovale) den Proteinstrang (rot) durch den Kanal. Im unteren Teil des Bildes befindet sich eine weniger schematische und realistischere Darstellung der gleichen Situation. Wie oben ist auch hier die Membran dargestellt. In ihr befindet sich ebenfalls der Kanal (lila). Ebenso ist der SecA „Motor“ gezeigt, der aus zwei Teilen besteht (blau und grün) und das zu transportierende Protein (nicht dargestellt) durch den Kanal bewegt. Im Kanal selbst ist auch der „Stopfen“ (gelb) zu sehen. (Maillard et al. Protein Movement Across Membranes und Kusters et al. Quaternary Structure of SecA in Solution and Bound to SecYEG Probed at the Single Molecule Level)

In Bild 5 ist eigentlich die Forschung der letzten 25 Jahre dargestellt. Es ist sehr aufwendig diese Tertiärstruktur des Proteins mithilfe von Kristallstrukturen so auszukleiden, sodass später durch Röntgenstrahlung die wirkliche Struktur sichtbar wird (in 3D). Das Bild verrät allerdings schon sehr viel über die Funktion. So ist nun bekannt, dass es eine Art „Stopfen“ im Kanal gibt, der bei Bedarf wegklappt und, dass der Kanal selbst aus zwei Halbkreisen besteht die durch eine Nieten-artige Struktur zusammengehalten werden. Aufgrund der  gewählten 3D Perspektive sind diese drei Teile in Bild 5 leider nur schwer sichtbar. Darüber hinaus stellte man fest, dass der Kanal nicht alleine alle Arbeit vollbringt. Man registrierte immer einen Verbund mit dem sogenannten SecA Protein (in Bild 5 grün und blau dargestellt). Im Laufe der Zeit konnte die Hypothese bestätigt werden, dass dieses SecA Protein unter Energieverbrauch das zu transportierende Protein durch den Kanal befördert.

Somit wäre Forschungsfrage Nummer eins zumindest grundlegend beantwortet.

Die Antwort auf die zweite Forschungsfrage, nämlich wie der Motor SecA das Protein nun durch den Kanal transportiert, ist bedeutend kürzer: Der genaue Ablauf des Prozesses ist noch nicht deutlich. Es ist allerdings deutlich, dass die Proteinkette (rot in Bild 5) durch wechselseitiges Binden und Loslassen an den beiden SecA Hälften bewegt wird. Undeutlich ist allerdings weiterhin, ob die beiden Hälften bei diesem Prozess aneinander gebunden sind oder nicht und ob die Hälften „verbraucht“ werden und deswegen ein Auswechseln mit neuen Hälften nötig ist. Auch sind die Aminosäuren noch unbekannt an denen die Proteinkette wirklich bindet.

Man hat diese Probleme, weil man den oben beschriebenen Komplex immer erst isolieren und „befestigen“ muss, sodass man ihn sich anschauen kann. Hierbei treten oft Beschädigungen auf, die unter Umständen gar nicht als Beschädigungen auffallen, aber zu falschen Schlüssen führen können. Ist der Komplex dann einmal zu sehen, sieht man ihn nur von außen und hat auch immer nur Momentaufnahmen von einem komplizierten dynamischen Prozess zur Verfügung. Erschwerend kommt hinzu, dass der Kanal und Motor Komplex zu klein sind um ihn unter einem normalen Mikroskop wirklich zu sehen. Man betätigt sich deswegen indirekter bildgebender Verfahren aus der Physik. Diese lassen (leider) auch manchmal ein gewisses Maß an Interpretationsspielraum.

Durch diese vielen Schwierigkeiten ist die zweite Forschungsfrage also noch nicht beantwortet. Viele Menschen auf der ganzen Welt und neuerdings auch ich, arbeiten daran sie zu lösen.

Im Detail schaue ich mir verschiedene SecA Varianten von verschiedenen Bakterien an und versuche heraus zu finden in wiefern sie mit den Bekannten Komponenten zusammen passen. In dem man sich viele Varianten anschaut und probiert ob sie zueinander passen, versucht man irgendwo einen Strohhalm zu fassen zu bekommen der das Rätsel ein wenig löst.

Ich habe viele Details ausgelassen und viele Techniken nicht erklärt. Ich hoffe, allerdings trotzdem, dass es nun zumindest ein bisschen deutlich ist womit ich mich so beschäftige. Vor allem ist mir das Wissens- und Theorieumfeld wichtig in dem mein Projekt beheimatet ist. Viele von diesen Dingen klingen sehr abgehoben und scheinen mit dem wirklichen Leben nichts zu tun zu haben. Ganz so einfach ist es aber leider nicht. Alles was ich in diesem Text beschreibe sind grundlegendste Elemente allen Lebens auf der Erde. Sie treten von Bakterien, über Schimmel und Pilze, bis hin zu Säugetieren wie dem Menschen überall auf. Ich finde es sehr spannend diese allgegenwärtige Welt, die doch immer noch so unbekannt ist, weiter zu erkunden.

Proteins always fulfil an essential function for a living cell. In some cases this functional purpose lies not directly within the cell, but embedded within the cell membrane or even outside the cell. In bacterial cells for those kinds of situations the Sec-translocon protein channel comes into action. Since roughly 60% of all drugs more or less interact with such or similar membrane channels, more insights in structure/function relationships of these molecular facilitators is desirable. What does such a channel look like? After overcoming the difficulties of identifying the structure of membrane proteins, a model as in Fig. 1 resulted.

Fig. 1: At the top schematically the hour-glass shape of the SecYEG translocon is displayed. At the bottom the corresponding ribbon structure can be seen together with the ribbon structure of SecA. SecA serves as a molecular motor to propel (at the expense of ATP) the unfolded polypeptide through the channel by a not quite understood mechanism. (top source: Maillard et al. Protein Movement Across Membranes, bottom source: Kusters et al. Quaternary Structure of SecA in Solution and Bound to SecYEG Probed at the Single Molecule Level)

In total the bacterial translocase pathway is composed out of seven proteins. How SecB, SecA, the integral membrane complex SecYEG, SecD, and SecF exactly work together will hopefully become clearer over the years. For my part I will start diving into the matter quite quick now. Maybe I find a piece of the puzzle. And maybe I will find out where I have to put it in order to make the picture even more beautiful and elegant.

A quite handy overview about the topic can be found here at NCBI.