ETH-Forschende machen Proteine in der Oberfläche eines Zellkerns sichtbar

Der Zellkern, in welchem die genetische Information sitzt, kommuniziert mit dem Rest der Zelle durch so genannte Kernporen. Wie ändern diese Kernporen ihre Struktur, wenn speziell präparierte Moleküle andocken? Warum bleiben einige Moleküle regelrecht in der Pore stecken, während andere elegant hindurchgleiten? Die Januar-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Biophysical Journal“ berichtet von dieser Forschungsarbeit, für die Wissenschaftler aus den Disziplinen Biologie und Physik ihre Kräfte gebündelt haben.

Im Zellkern ist nicht nur die genetische Information der einzelnen Zelle, sondern auch des gesamten Organismus gespeichert. Jede Zelle eines mehrzelligen Lebewesens, z.B. des Menschen, verfügt über den gleichen DNA-Satz. Die Kommunikation des Zellkerns mit dem Rest der Zelle und umgekehrt entscheidet darüber, dass die Zellen richtig funktionieren und somit das Überleben des Organismus garantieren. Der Kernporenkomplex stellt den einzigen Weg für die makromolekulare Kommunikation zwischen Zellkern und dem Rest der Zelle dar.

Strukturelle Eigenschaften korrelieren mit funktionellen Eigenschaften

Forschende der ETH-Institute für Festkörperphysik und für Biochemie haben die Struktur des Kernporenkomplexes genauer untersucht und dabei die Frage geklärt, ob sich die Struktur durch das Binden von Molekülen ändert. Bei diesen Molekülen handelt es sich einerseits um so genannte Transportrezeptoren, von denen man weiss, dass sie den Transport in den Zellkern vermitteln, und anderseits um Alkohole. Aus früheren biochemischen Untersuchungen war bereits bekannt, dass die Transportkapazitäten des Porenkomplexes durch das Binden dieser Moleküle verändert wird. Die Untersuchungen zeigten nun tatsächlich, dass sich auch die Struktur der Porenkomplexe ändert, d.h. Änderungen in der Transportkapazität in und aus dem Kern korrelieren mit Änderungen in der Struktur des Kernporenkomplexes.

Brücke von der Physik in die Biologie

Für die Untersuchungen verwendeten die Forschenden die so genannte Rasterkraftmikroskopie. Dabei tastet eine feine Spitze die Oberfläche ab und erstellt so ein Profil. Durch das Zusammensetzen aller gemessenen Profile entsteht ein dreidimensionales Bild der untersuchten Oberfläche. Biologische Strukturen unterscheiden sich aber stark von denjenigen, die üblicherweise in der Physik untersucht werden. Am Institut für Festkörperphysik der ETH Zürich wurde die Methode der Rasterkraftmikroskopie optimiert, um auch weiche biologische Oberflächen mit grosser Genauigkeit abzubilden. Die ETH-Physiker haben damit einen Weg gefunden, wie biologische Strukturen – in diesem Fall Kernporenkomplexe – in annähernd natürlichem Zustand untersucht werden können. Dazu haben sie sich mit Forschenden aus dem Institut für Biochemie zusammengeschlossen.