(11.03.2020) Forscher, die Membranproteine isolieren müssen, haben in der Regel nichts zu lachen. Neuentwickelte modulare Detergenzien könnten ihnen die Arbeit aber erleichtern.
Membranproteine spielen bei vielen physiologischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Nicht zuletzt deshalb zielt die Hälfte der derzeit eingesetzten Medikamente auf Membranproteine ab. Typische Beispiele sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPRC), deren Rolle bei verschiedenen Krankheitsprozessen intensiv untersucht wird. Das Gleiche gilt auch für Membranproteine von Bakterien, die insbesondere für die Entwicklung neuer Antibiotika interessant sind.
Bevor man Membranproteine analysieren kann, muss man sie zunächst aus der Membran isolieren, ohne ihre Funktion zu zerstören. Die wenigsten Membranproteine verlassen ihre gewohnte Umgebung in der Lipid-Doppelschicht jedoch freiwillig, und wenn man sie dazu zwingt, nehmen sie das in der Regel ziemlich krumm. Die Isolierung von Membranproteinen hat deshalb schon viele Forscher in eine schwere Sinnkrise gestürzt und an der Eignung fürs Labor zweifeln lassen.
Die wichtigsten Hilfsmittel bei der Isolierung von Membranproteinen sind Detergenzien, die Lipid-Lipid- beziehungsweise Protein-Lipid-Verbindungen lösen, mit denen die Proteine in der Membran verankert sind. Welche Detergenzien sich für die Extraktion von Membranproteinen eignen, wird noch meist durch Versuch und Irrtum ermittelt. Zu den am häufigsten eingesetzten Detergenzien zählen insbesondere zuckerbasierte, wie zum Beispiel n-Dodecyl-β-d-Maltopyranosid (DDM) oder dessen verkürzte Version n-Decyl-β-d-Maltopyranosid (DM); aber auch Klassiker wie Triton X-100 oder das Cholesterol-Derivat CHAPS.
Entscheidend für den Erfolg bei der Isolierung von Membranproteinen ist auch die richtige Konzentration der eingesetzten Detergenzien. Meist versucht man diese über die sogenannte kritische Aggregations-Konzentration (CAC) einzustellen, die angibt, ab welcher Konzentration Vorstufen von aggregierten Mizellen (premicellar aggregates) entstehen. Die CAC-Werte sagen aber nichts darüber aus, wie stark denaturierend ein Detergenz auf ein Protein wirkt. Mit anderen Worten: Wenn zwei verschiedene Detergenzien die gleichen CAC-Werte aufweisen, kann ein Membranprotein dennoch bei dem einen „abkacken”, während es in Gegenwart des anderen stabil bleibt.
Um diese Unwägbarkeiten und Zufälligkeiten bei der Auswahl geeigneter Detergenzien für die Isolation von Membranproteinen zumindest etwas zu beseitigen, entwickelte eine Gruppe um Kevin Pagel von der FU Berlin sogenannte Oligoglycerol-Detergenzien (OGD).
Die Grundstruktur der OGDs ist sehr einfach: ein hydrophiler Kopf ist über einen Linker mit einem hydrophoben Schwanz verbunden (Nat. Commun. 11: 564).
So weit eigentlich nichts Besonders. Das Intelligente an den OGDs ist der modulare Aufbau. Der Kopf besteht aus sogenannten dendritischen Triglycerolen. Hört sich kompliziert an, diese sind aber im Grunde nichts anderes als zweigförmig miteinander verbundene Glycerin-Moleküle. Als Linker fungiert entweder eine Ether-Gruppe, ein Triazol oder ein Carbamat. Den Schwanz bilden schließlich Alkyl-Reste (C12, C18), Cholesterin oder Ester langkettiger Fettsäuren (DC12).
Damit existieren drei Stellschrauben, mit denen sich die Eigenschaften der OGDs anpassen lassen. So kann man zum Beispiel mithilfe der Glycerin-Verzweigungen die Größe des Kopfes festlegen. Kleine Köpfe lösen Lipid-Verbindungen meist besser als große und auch die Art der Triglycerol-Verzweigung spielt hierbei eine Rolle. Die Wahl des Linkers beeinflusst schließlich die Basizität des Detergenz, während sich die Natur des hydrophoben Schwanzes auf die Stabilität des isolierten Membranproteins auswirkt.
Wie gut die OGDs im Vergleich mit dem sehr häufig eingesetzten DDM abschneiden, testete Pagels Gruppe, indem sie drei verschiedene Membranproteine (AqpZ, AmtB, MATE) aus der E.-coli-Membran mit verschiedenen OGDs sowie OGD-Kombinationen isolierte. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere eine OGD-Mischung deutlich höhere Proteinausbeuten lieferte als DDM. Sie enthielt zwei OGDs mit unterschiedlich verzweigtem Triglycerol-Kopf, der aber jeweils mit einem Triazol-Linker sowie einem C12-Schwanz verbunden war.
Auch bei der Isolation einer rekombinanten Variante des G-Protein-gekoppelten Rezeptors NTSR1 aus der E.-coli-Membran schlug eine OGD-Mischung DDM. In diesem Fall bestand sie aus zwei OGDs mit kleinen, unterschiedlich verzweigten Köpfen, einem Ether-Linker sowie einem C12-Schwanz.
Ganz ohne Trial and Error geht es indes auch mit OGDs nicht. Durch den modularen Aufbau kann man aber recht schnell herausfinden, welche Variante für die Isolierung eines speziellen Membranproteins am besten geeignet ist. Darüber hinaus sind OGDs auch für die native Massenspektrometrie der isolierten Proteine geeignet.
Die Reinigung von Membranproteinen ist damit zumindest ein Stück weit berechenbarer geworden und hat ein wenig von ihrem Schrecken verloren.
Frederique Wieters