Wie Enzyme Zuckerketten bauen

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Das Enzym ALG6 besteht aus einem strukturell konservierten (grün) und einem stru

Das Enzym ALG6 besteht aus einem strukturell konservierten (grün) und einem strukturell variablen (rot) Modul. Der Antikörper, der an das Enzym bindet (lila, türkis), ermöglichte dessen Analyse mittels Kryo-EM. (Grafik: ETH Zürich / Joël Bloch)

Forschende klärten erstmals mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie die Struktur und Funktion eines kleinen, in Zellmembranen steckenden Enzyms auf. Dieses baut komplexe Strukturen aus Zuckermolekülen auf. Die Erkenntnisse könnten die Entwicklung neuer proteinbasierter Medikamente beschleunigen.

«Wir vermuten, dass es der modulare Aufbau den Enzymen ermöglichte, sich in verschiedene Richtungen zu entwickeln und somit ein weites Spektrum an verschiedenen Substraten zu erschliessen und umzusetzen», sagt Joël Bloch, Doktorand in Lochers Gruppe und Erstautor der Studie.

Die Forschungsergebnisse erklären erstmals den Mechanismus dieser Enzymfamilie. «Dies hat weitreichende Auswirkungen für die Zellbiologie sowie für die Herstellung therapeutischer Substanzen, die auf der Zuckerbiologie beruhen», so der ETH-Doktorand. Insbesondere die Herstellung von massgeschneiderten therapeutischen Antikörpern, an denen die Pharmaindustrie stark interessiert ist, könnten von den neuen Erkenntnissen profitieren.

Rekord in der Kryo-Elektronenmikroskopie

Die Forschenden sehen ihre Resultate zudem als Durchbruch in der Aufklärung von Molekülstrukturen von Proteinen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Die bahnbrechende Technologie, für welche 2017 der Chemienobelpreis unter anderen an den Waadtländer Jacques Dubochet vergeben wurde, hat sich zur wichtigsten Methode bei der Strukturaufklärung von grossen Molekülkomplexen gemausert. Die hochauflösende Strukturaufklärung kleiner Proteine, insbesondere von solchen, die in Membranen eingebettet sind, gelang damit hingegen nicht. Der Grund: die Mikroskopie-Daten von kleinen gemessenen Partikeln verunmöglichen präzise strukturelle Berechnungen in der Strukturaufklärung.

Die ETH-Forscher haben dieses Problem in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Universität Chicago nun lösen können. In Zusammenarbeit mit den dortigen Forschern stellten sie einen synthetischen Antikörper her, welcher an ALG6 bindet. Dieser Antikörper erhöhte das Gewicht des Enzyms ALG6 so, dass dessen Struktur mithilfe der Kryo-EM hochaufgelöst aufgeklärt werden konnte.

«Die auf diese Weise erzielte Auflösung ist aktuell der Weltrekord bei der Strukturauflösung eines membrangebundenen Komplexes dieser Grösse», sagt Kaspar Locher nicht ohne Stolz. Diese Weiterentwicklung der Kryo-EM werde es vielen anderen Wissenschaftlern ermöglichen, Strukturen von kleinen Membranproteinen aufzuklären. «Dadurch wird die Wissenschaft rasch Fortschritte erzielen bei der Untersuchung von Membranproteinen, die mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung stehen», betont der ETH-Professor.

Ein chemo-enzymatischer Baukasten

Damit nicht genug: In Zusammenarbeit mit Chemikern der Universität Bern entwickelten die ETH-Forschenden Synthesemethoden, mit denen sie hochkomplexe Lipid-gebundene Oligosaccharide im Labor herstellen konnten. Mit herkömmlichen Synthesen der organischen Chemie war dies bisher nicht möglich.

Dies wiederum bot den Forschenden neue Einblicke in den essenziellen Stoffwechselweg der Biosynthese von Lipid-gebundenen Oligosacchariden. Die Wissenschaftler können nun besser erklären, wie Zellen komplexe Glykane herstellen. «Dies ist ein Meilenstein in der Glykobiologie, der künftig für die Herstellung von Zucker-Protein-Verbindungen bedeutend sein könnte», sagt Locher.

Literaturhinweis

Bloch J et al. Structure and mechanism of the ER-based glucosyltransferase ALG6. published online 26th Feb 2020. doi: 10.1038/s41586-020-2044-z

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