Die „Schleuse“ für sperrige Fracht

Wie große Proteine Membranen in Zellen passieren können, ohne diese zu zerstören, zählt zu den großen offenen Fragen der Zellbiologie. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) ist es Leonid Sazanov und Ziyu Zhao am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) nun gelungen, neue Details über eine molekulare „Schleuse“ zu entschlüsseln. Die Erkenntnisse wurden in Molecular Cell publiziert.

Schon in der Schule erfährt man die wichtigsten Aspekte der Biologie, darunter auch jenes zentrale Dogma: Aus DNA wird RNA und daraus wiederum Proteine. Diese Proteine übernehmen im Körper zahllose lebenswichtige Aufgaben – doch dazu müssen diese in der Zelle oft zu einem anderen Ort transportiert werden und Membranen passieren.

Professor Leonid Sazanov und Postdoc Ziyu Zhao vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zeigen nun, wie das Tat-System (twin-arginine translocase) sperrige Proteine durch Membranen hindurch transportiert.

Das mysteriöse Tat-System

In einer Zelle befinden sich viele unterschiedliche „Räume“ – mit Membranen abgegrenzte Organelle. Proteine müssen diese Membranen passieren können.

In den meisten Zellen funktioniert das am häufigsten durch das Sec-System, bei dem noch nicht fertig gefaltete Proteine einfach durchgezogen werden können wie ein Seil durch ein Loch.

Weitaus schwieriger ist es für Proteine, die ihre End-Faltung schon erreicht haben, trotzdem durch solche Barrieren transferiert werden müssen. Die Fracht ist in diesem Fall deutlich größer und sperriger, kann also nicht einfach durchgezogen werden.

In Bakterien und Chlorplasten (Zellen in Pflanzen, die als „Kraftwerke der Photosynthese“ bekannt sind) beispielsweise gibt es für genau dieses Problem das sogenannte Tat-System. Zwar weiß man, dass es in E. coli aus drei verschiedenen Bausteinen besteht (TatA, TatB und TatC), jedoch war bisher nicht bekannt, wie das zusammengebaute Tat-System aussieht und vor allem wie es so problemlos große Proteine durch Membranen durchschleusen kann.

Sazanov und Zhao wollten genau verstehen, wie diese molekulare „Schleuse“ aussieht – und wie sie es schafft, ihre sperrige Fracht unbeschadet durch die Membran zu befördern.

Gefroren lässt sich die Struktur besser analysieren

Um das herauszufinden, isolierte Zhao den Tat-Komplex in vivo (im lebenden Organismus) aus E. coli.

„Das war kein einfaches Unterfangen, da dieser Proteinkomplex sehr instabil ist. Erst als ich sowohl Tat-Bausteine als auch das zu transportierende Protein in den Bakterien co-exprimierte, war der Komplex haltbar genug, dass ich es aus den Bakterien isolieren konnte und ihn mit Kryo-EM visualisieren konnte“, erklärt Zhao.

Der Tat-Komplex mit dessen Fracht wurde anschließend auf ein Elektronenmikroskop-Gitter aufgetragen und zügig in Kryogen eingetaucht. Durch die schnelle Abkühlung vitrifiziert das Wasser in der Probe, d. h. es nimmt eine glasartige Form an, anstatt Eiskristalle zu bilden. In diesem Zustand bleiben die feinen strukturellen Details der Probe erhalten. Schließlich wurde das Tat-System mit einem Kryo-Elektronenmikroskop (Kryo-EM) visualisiert – eine Art Mikroskop, das detailreiche Bilder von Proteinen mit einer Auflösung von 2 bis 3 Ångström liefert, welche zur Bestimmung von atomaren Strukturen erforderlich ist.

Ein Blick ins Innere der „Schleuse“

Die Rekonstruktion der Strukturen in 3D ergab schließlich folgendes Bild: Der Tat-Komplex besteht aus drei TatB/C Bausteinen, welche gemeinsam als Ganzes in einer der zu passierenden Membran schweben. Laut Sazanov sei die Form aber äußerst ungewöhnlich.

„Der Tat-Komplex erinnert an eine offene Schüssel mit einem sehr dünnen Boden“, erklärt der Biochemiker.

Interessanterweise und unerwarteterweise berührt dabei das Fracht-Protein die Schüssel an den Tat B/C Bausteinen an zwei Stellen. Die erste Stelle erkennt das bestimmte Signal am Fracht-Protein und fixiert dieses wie ein Kleber. Die zweite Bindungsstelle ist laut den Wissenschaftern vermutlich eine Art Kontrollpunkt, an dem eruiert wird, ob das Fracht-Protein richtig gefaltet ist.

Außerdem ließ sich durch die Rekonstruktion erkennen, dass der Tat-Komplex potenziell auch eine Pore besitzt, die geöffnet und verschlossen werden kann. Laut Sazanov und Zhao öffnete sich diese Pore wie ein Tor, nachdem das Fracht-Protein angedockt ist und kontrolliert wurde. Dadurch wird es durch die Membran durchgeführt. Wie genau das funktioniert ist aber noch Spekulation und Teil Zhaos weiterer Forschung.

Ziel für Medikamente in der Zukunft

Das Tat-System kommt nicht in Menschen vor, deswegen eignet es sich als zukünftiges potenzielles Werkzeug für medikamentöse Intervention. In Bakterien beispielsweise ist das System essenziell für deren metabolische Prozesse und Virulenz—deren Aggressivität, wie effektiv sie Infektionen verursachen. Je mehr Details man über die Tat-Bausteine erfährt, desto mehr Möglichkeiten ergeben sich in Zukunft gezielt gegen diese für schädliche Bakterien lebensnotwendigen Prozesse vorzugehen.

Publikation:

Ziyu Zhao & Leonid Sazanov. 2026. Structure of E. coli twin-arginine translocase (Tat) complex with bound cargo. Molecular Cell. DOI: 10.1016/j.molcel.2026.05.026

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) finanziert.