Übersetzung: Revolution der Proteinfaltung

Der folgende Text ist meine freie Übersetztung des YouTube Videos The Protein Folding Revolution des Wissenschaftsmagazins Science.

Proteine verrichten die Arbeit in unseren Zellen. Deshalb müssen wir verstehen was sie tun und wie sie funktionieren. Den Schlüssel dazu liefert die Form eines Proteins, denn Form gibt Funktion vor. Proteine können sehr verschiedene Formen annehmen. Wissenschaftler nennen diese Faltungen. Wenn man es entfaltet, ist ein Protein eine lange Kette aus Aminosäuren. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren und jede einzelne von Ihnen hat ihre eigenen chemischen Eigenschaften. Wenn ein Protein sich faltet, ist das ein bisschen wie eine lange verwundene Spagetti-Nudel mit all diesen verschiedenen chemischen Eigenschaften. Ganz wie Spagetti ist es dann doch nicht, weil die 3-dimensionale Form über Billionen Jahre hinweg im Laufe der Evolution entstanden ist um sehr spezifische Funktionen erfüllen zu können. Wenn wir die winzigen Details der Proteinstrukturen erkennen können, erhalten wir nicht nur Einblick in deren Funktion, sondern wir können ihre Funktion vielleicht sogar verändern. Deshalb versuchen Forscher seit vielen Jahren das Rätsel der Proteinfaltung zu lösen. Können wir uns einfach die Sequenz der Aminosäuren anschauen und vorhersagen, wie sich ein Protein falten wird? Man könnten die Sequenz der Aminosäuren heranziehen, sie in einen Computer eingeben und abwarten, ob die entwickelten Algorithmen gut genug sind, um die Faltung berechnen zu können. Man kann Röntgenstrukturanalyse oder andere Methoden verwenden um die Proteinstruktur sichtbar zu machen, aber das wurde noch nicht für allzu viele Arten von Proteinen gemacht. Vor einigen Jahrzehnten kam eine andere Frage auf: Könnten all die Genomdaten - die 3 Milliarden Buchstaben in unserem menschlichen Genom und die Milliarden in all den anderen Genomen da draußen – könnte man diesen Code durchforsten, der gesondert vom Aminosäure Code der Proteine existiert, und etwas darüber lernen, wie sich Proteine falten könnten? 

Die DNA in unseren Genen codiert für RNA, die wiederum in Proteine übersetzt wird. Also gibt es einen Zusammenhang zwischen dem 4-Buchstaben Code der DNA und dem 20-Buchstaben Code der Aminosäuren von Proteinen. Weil ein Protein in vielen verschiedenen Drehungen und Windungen aufgewickelt ist, kann die 6. Aminosäure in dieser Kette neben der 18. enden. Und wenn diese beiden nahe beieinander liegen, so stellten Forscher fest, könnte es eine Wechselwirkung zwischen dem Paar geben, die für die Form des Proteins und damit für seine Funktion von Bedeutung ist. Wenn das stimmt, dann muss eine Mutation in der DNA, die eine Aminosäure verändert, von einer zweiten Mutation des Partners begleitet sein um die Wechselwirkung zu erhalten. Im Wesentlichen besteht eine Ko-Evolution. Wenn man vielleicht hundert oder mehr dieser Fäll nächster Nachbarn im 3-dimensionalen Raum erfassen kann, indem man viele verschiedene Genomsequenzen anschaut, kann man das in den Faltungsalgorithmus einspeisen. Jetzt, nachdem der Algorithmus all diesen engen Einschränkungen unterliegt, ist es viel wahrscheinlicher eine sehr genaue Struktur zu bekommen. Und das funktioniert! Das bedeutet, dass Wissenschaftler viel mehr Proteine falten können als zuvor. Das ist wichtig, weil es neue Einsichten in die Funktionsweise dieser Proteine liefert wird. Darüber hinaus haben Wissenschaftler die Fähigkeiten dieser Computermodelle stetig verbessert, sodass sie jetzt sogar ihre eigenen Proteine designen können – Dinge bauen, die die Natur nie gesehen hat. Die Offensichtlichste Anwendung dafür ist die Medizin. Man kann spezifische Strukturen des Grippevirus mit einem eigens gebauten Protein angreifen. So kann man eine Impfung schaffen, die gegen verschiedene Grippearten wirkt. Es wurden Proteine geschaffen, die durch Selbstorganisation kleine Käfige bauen die verschiedene Moleküle in den Körpers einschleusen können. Oder neue Materialien, wie konstruierte selbst-organisierte Oberflächen könnten in Solarzellen und elektronischen Geräten verwendet werden – man kann tausend verschiedene Richtungen einschlagen.