Funktionsweise einer biologischen Protonenpumpe aufgeklärt
Bacteriorhodopsin ist ein Protein, das Licht absorbiert und Protonen über Zellmembranen transportiert - eine Schlüsselfunktion biologischer Systeme. Dank der Mitarbeit von Forschern des PSI ist nun geklärt, wie dieses Protein Protonen in einer einzigen Richtung von innen nach außen schieben kann.
Ein internationales Konsortium mit Beteiligung von Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich hat mit Hilfe von leistungsstarken, neuen Röntgenwerkzeugen demonstriert, wie Bakteriorhodopsin, eine biologische "Protonenpumpe", Licht zum Transport von Protonen durch die Zellmembran verwendet. Die Energie, die als Protonenkonzentrationsgradient gespeichert wird, wird schliesslich dazu verwendet, die Zellaktivitäten anzutreiben - in der gleichen Art und Weise, wie dies chemisch angetriebene Protonenpumpen auch im menschlichen Körper tun.
Der zugrunde liegende Mechanismus war lange Zeit unklar. Um ihm auf den Grund zu gehen, wandten sich die Wissenschaftler an SACLA, einen freien Elektronenlaser in Japan, der so stark ist, dass er die Probe sofort verdampft. Da aber die Röntgenlaser-Pulse so kurz sind, findet die Röntgenbeugung statt, bevor die Probe zerstört wird. Bekannt ist dieser Trick als "Beugung vor Zerstörung." Das Team verwendete diesen Röntgenlaser, um Tausende von Bildern von Bakteriorhodopsin zu verschiedenen Zeitpunkten zu machen, nachdem es durch Licht aktiviert wurde. Durch Aufaddierung der Bilder in der zeitlich richtigen Reihenfolge konnte so der Ablauf gezeigt werden, wie das Membranprotein Protonen gegen einen Protonenkonzentrationsgradienten verschiebt. Dadurch wird ähnlich einer Batterie eine Ladung erzeugt, die zur Energieversorgung chemischer Reaktionen verwendet werden kann.
ETH-Professor Gebhard Schertler, der gemeinsam mit Jörg Standfuss, Gruppenleiter am PSI, an diesem Projekt teilnahm, sagt: "Diese Daten konnten viele wichtige chemische Einzelheiten der Protonenbewegung innerhalb des Proteins offenlegen und eine lange währende Diskussion um den Mechanismus zum Abschluss bringen. Das kürzlich eingeweihte SwissFEL am PSI wird den aktuellen Mangel an Strahlzeit auf Freielektronenlasern abbauen und künftig Messungen auch in der Schweiz ermöglichen."
Die Arbeit wurde von Wissenschaftlern in Japan, Schweden, der Schweiz und Frankreich durchgeführt.