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News: Viel Bewegung auf wenig Raum

Eigentlich sollten sich die beiden Anforderungen gegenseitig ausschließen: Proteine werden mit viel Aufwand in den hochgeordneten kristallinen Zustand gebracht, um ihre Struktur erforschen zu können, doch für die normale Aktivität der Enzyme sind Bewegungen häufig unerläßlich. Ausgerechnet ein Enzym, das in lebenden Zellen die DNA vervielfältigt, schafft das Kunststück, im Kristallverband weiterzuarbeiten.
Biochemiker des Medical Centers an der Duke University wollten die Struktur des Enzyms DNA-Polymerase – eines Proteins, das die Vervielfältigung der Erbsubstanz katalysiert – mit einer möglichst guten räumlichen Auflösung erforschen. Zu diesem Zweck stellten sie Kristalle des aktiven Enzyms her und unterzogen diese einer Röntgenstrukturanalyse (Nature vom 15. Januar).

Die meisten Proteinmoleküle sind so klein, daß sie mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Gleichzeitig sind sie so groß, daß die Lage ihrer vielen Atome nicht einfach theoretisch berechnet werden kann, sondern experimentell ermittelt werden muß. Unter den verschiedenen gebräuchlichen Verfahren liefert die Röntgenstrukturanalyse die genauesten Ergebnisse. Dabei werden Kristalle des Proteins mit intensivem Röntgenlicht bestrahlt. Aus dem Bild, das hinter dem Kristall entsteht, können Wissenschaftler dann die Struktur mit einer atomaren Auflösung errechnen.

Lorena Beese und ihre Mitarbeiter haben mit dieser Technik bereits früher den Aufbau der DNA-Polymerase bestimmt. In ihrer neuen Arbeit wollten sie zeigen, wie das Enzym die Einzelbausteine der Erbsubstanz bindet und gewissermaßen „in den Händen hält“.

Obwohl seit Jahrzehnten Forscher in aller Welt die DNA-Polymerase untersuchen, sind längst nicht alle Fragen geklärt. Das Enzym ist Teil einer komplexen molekularen Maschinerie, mit deren Hilfe die Zelle ihre DNA verdoppelt. Dafür werden zunächst die beiden Stränge der Doppelhelix voneinander getrennt. Die DNA-Polymerase bindet an einen Einzelstrang und fügt nach dessen Vorlage die jeweils passenden Bausteine, die Nucleotide, zu einem neuen zweiten Strang zusammen. Nach dem Anknüpfen jedes einzelnen Nucleotids rutscht das Enzym ein Stück weiter auf der DNA, vollführt somit relativ große Bewegungen. Neben dieser Kopierarbeit liest die DNA-Polymerase ihr eigenes Werk noch Korrektur und stoppt im Falle eines Fehlers, so daß Reparaturenzyme eingreifen können. Dieses System sichert die enorm niedrige Fehlerquote, die für lebende Organismen und ihre Vermehrung eingehalten werden muß.

Das Team um Beese wollte die katalytischen Zwischenschritte an einer DNA-Polymerase aus dem Bakterium Bacillus stearothermophilus in einzelnen Schnappschüssen festhalten. Daher stellten sie Kristalle des Enzyms her, die mit DNA und den notwendigen Nucleotiden versetzt waren. „Wir waren begeistert, als wir die ersten Kristalle bekamen, in denen das Enzym die DNA gebunden hatte“ sagte Beese. „Aber wir waren auch erstaunt, weil nur ein Teil der Strukturdaten dem entsprach, was wir zu sehen erwartet hatten.“ Denn die DNA-Polymerase hatte kein Nucleotid in ihrem aktiven Zentrum. Es war den Wissenschaftlern also nicht gelungen, den Zustand kurz vor dem eigentlichen Katalyseschritt zu erzeugen.

„Anfangs waren wir sehr enttäuscht, nachdem wir die Struktur entschlüsselt hatten“, erzählte Beese. „Aber wir stellten fest, daß das Nucleotid wirklich in den Kristall eingebracht war. Es war faszinierend, denn wir erkannten, daß das Enzym seine katalytische Aktivität im Kristall beibehalten hatte.“ Tatsächlich hatte die Polymerase zur Zeit der Messung schon das Nucleotid verarbeitet und die DNA ein Stück weiter gezogen. Zwar wurde an anderen Enzymen bereits eine Aktivität in deren Kristallen festgestellt, doch die waren nicht mit so großen Bewegungen verbunden. „Bei diesem Enzym läuft nicht nur die Chemie richtig ab, die DNA-Vorlage und die neue DNA müssen sich auch noch ein gutes Stück verschieben. Und das war wirklich unvorhersehbar.“

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