Ganz schön eng hier

12. Juli 2013 von Ralf Neumann

So etwa sieht es im Cytoplasma von E. coli aus — zwar nicht so bunt, aber sicher SO VOLL!

Das Bild stammt aus dem Paper “Diffusion, Crowding & Protein Stability in a Dynamic Molecular Model of the Bacterial Cytoplasm” der US-Biochemiker Sean R. McGuffee und Adrian H. Elcock (PLoS Comput Biol 6(3): e1000694. doi:10.1371/journal.pcbi.1000694) — und veranschaulicht eindrucksvoll das Problem des Molecular Crowding (“Molekulares Gedränge”). Die Autoren fassten es folgendermaßen zusammen: 

The interior of a typical bacterial cell is a highly crowded place in which molecules must jostle and compete with each other in order to carry out their biological functions. The conditions under which such molecules are typically studied in vitro, however, are usually quite different: one or a few different types of molecules are studied as they freely diffuse in a dilute, aqueous solution. There is therefore a significant disconnect between the conditions under which molecules can be most usefully studied and the conditions under which such molecules usually “live”, and developing ways to bridge this gap is likely to be important for properly understanding molecular behavior in vivo.

Regelrecht rempeln, drücken und schubsen müssen die Proteine folglich, um im Cytoplasma überhaupt zum Zuge zu kommen und ihren Job machen zu können.  Das Ende vom Lied daher: “Im wahren Leben” agieren sie aus diesem Grund oftmals deutlich anders als in typisch homogener und geräumiger Lösung im Versuchsröhrchen.

Manches Enzym macht in den Weiten des Eppis sogar etwas ganz anderes als in der Enge des Cytoplasmas. Bereits vor Jahren beschrieben wir etwa den Fall der V8 Protease aus Staphylococcus aureus: In geräumiger Lösung spaltet sie Polypetidketten, im Zellgedränge dagegen katalysiert sie exakt die Gegenreaktion — sie ligiert Peptidfragmente (J. Biol. Chem. vol. 277: 43253-61.

Wie dieses Zellgedränge im gesamte Cytoplasma einer E. coli-Zelle aussehen könnte, das versuchten obige US-Autoren nun möglichst exakt im Computer zu simulieren. Dazu schreiben sie:

Toward this end, we show in this work that computer simulations can be used to model the interior of bacterial cells at a near atomic level of detail: the rates of diffusion of proteins are matched to known experimental values, and their thermodynamic stabilities are found to be in good agreement with the few measurements that have so far been performed in vivo. While the simulation approach is certainly not free of assumptions, it offers a potentially important complement to experimental techniques and provides a vivid illustration of molecular behavior inside a biological cell that is likely to be of significant educational value.

Wie auch immer, eindrucksvoll ist das allemal! Und daher sicher tatsächlich “of significant educational value”.

Nobelpreisträger Arthur Kornberg hatte das gesamte Phänomen übrigens bereits im Jahr 2000 auf der Rechnung. Im Journal of Bacteriology (vol. 182(13): 3613-18) formulierte er damals die “Zehn Gebote der Replikations-Enzymologie” — Gebot Nummer 7 lautete: „Correct for extract dilution with molecular crowding.” Dass einige Funktionen dennoch auch in großer Verdünnung beobachtet werden können, sah Kornberg gar als „glückliche Fügung für Biochemiker”.

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