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TU-Professor Rasmus Linser ent­wickelt in­no­va­ti­ve Me­tho­den

Neue Erkennt­nisse zur Funk­ti­ons­wei­se von Enzymen

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Drei Männer in einem Labor © Aliona Kardash​/​TU Dort­mund
Prof. Rasmus Linser (Mitte) mit seinen Mitarbeitern (v.l.) Dr. Himanshu Singh und Dr. Suresh Vasa.

Proteine gelten als „Bausteine des Lebens“, da viele che­mi­sche Reaktionen mit ihrer Hilfe er­fol­gen und Zellkommunikation und -bewegung von ihnen abhängig sind. Wer Proteine versteht, kann erforschen, wie bestimmte Krank­hei­ten ent­ste­hen oder warum gewisse Umwelteinflüsse krebserregend sind. Das Team um Rasmus Linser, Professor für Physikalische Chemie an der TU Dort­mund, hat nun mit­hil­fe innovativer Me­tho­den mehr über die dy­na­misch­en Abläufe eines me­di­zi­nisch wich­ti­gen Enzyms heraus­ge­fun­den. Enzyme sind Proteine, und das un­ter­such­te Enzym ist auch für viele andere Proteine repräsentativ. Die Er­geb­nisse wurden kürz­lich als Titelstory im re­nom­mier­ten Fach­ma­ga­zin Journal of the American Chemical Society ver­öf­fent­licht und leisten zudem einen wich­ti­gen Bei­trag zur For­schung des Exzel­lenz­clus­ters Resolv.

Prof. Rasmus Linser forscht an der TU Dort­mund schwerpunktmäßig zu Me­tho­den, mit denen man Proteine und ih­re Beweglichkeit un­ter­su­chen kann. Jetzt haben er und sein Team ge­mein­sam mit Kollegen von der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum und der Ludwig-Maximilians-Uni­ver­si­tät Mün­chen mit­hil­fe dieser Me­tho­den neue Erkennt­nisse über ein Protein erzielt, das schon seit vie­len Jah­ren im Fokus der pharmakologischen For­schung steht. Das Enzym hCAII, die humane Carboanhydrase, kommt beinahe überall im Körper vor. Es sorgt als Katalysator dafür, dass Koh­len­stoff­di­oxid und Wasser sich zu Kohlensäure verbinden – und umgekehrt. Diese Reaktion läuft in einer eigens dafür vorgesehenen Tasche des Enzyms ab, die auch „aktives Zen­trum“ genannt wird.

Grafik eines aktiven Zentrums eines Enzyms © Rasmus Linser​/​TU Dort­mund
Das Fach­ma­ga­zin Journal of the American Chemical Society zeigt das aktive Zen­trum des von Prof. Linser un­ter­such­ten Enzyms auf der Titelseite.

Was genau in diesem Zen­trum passiert, haben die Forscher mit der so­ge­nann­ten Festkörper-NMR-Spektroskopie un­ter­sucht. Prof. Rasmus Linser ist Spezialist für diese Methode, deren Be­son­der­heit darin besteht, dass sie In­for­ma­ti­onen über Vorgänge auf einer ganz be­stimm­ten Zeitskala liefern kann – näm­lich im Mikro- bis Millisekunden-Be­reich. „Es gibt unterschiedliche Zeitskalen, die für die Er­for­schung von Proteinen spannend sind“, sagt Linser. „Ganz schnelle Be­we­gung­en lassen sich zum Bei­spiel mit herkömmlicher NMR-Spektroskopie gut un­ter­su­chen. Langsame Be­we­gung­en kann man über Echtzeitexperimente nachvollziehen. Im Mikro- bis Millisekunden-Be­reich ist es aber be­son­ders schwer, In­for­ma­ti­onen zu bekommen.“ Diese Zeitskala ist aber von be­son­de­rer Wichtigkeit für die Funktionalität von Proteinen als Enzyme sowie ih­re Rolle in der Kom­mu­ni­ka­ti­on innerhalb der Zelle. Aus diesem Grund hat Linser in den ver­gang­enen Jah­ren die Festkörper-NMR-Spektroskopie weiterentwickelt. Die Methode un­ter­sucht Proteine in fester Phase und ist be­son­ders gut für größere Strukturen geeignet.

Forschende be­ob­ach­ten erstmals Bewegung im aktiven Zen­trum des Enzyms

Das in der aktuellen Ar­beit un­ter­such­te Enzym wurde bislang haupt­säch­lich mit kristallographischen Me­tho­den er­forscht, die Temperaturen von minus 200 Grad erfordern. Das führte dazu, dass Be­we­gung­en, die bei normaler Körpertemperatur statt­finden, nicht erkennbar waren. Deshalb haben sich Wissen­schaft­lerinnen und Wis­sen­schaft­ler das Enzym bislang als steifes, nicht flexibles Konstrukt vor­ge­stellt. „Wir konn­ten nun erstmals be­ob­ach­ten, dass tatsächlich auf der von uns un­ter­such­ten Zeitskala, auf der auch die wich­ti­ge enzymatische Katalyse dieses Enzyms stattfindet, deutliche Bewegung im aktiven Zen­trum existiert“, be­rich­tet Linser.

Das Team konnte zei­gen, dass sich nicht nur das aktive Zen­trum des Enzyms auf der Mikrosekundenzeitskala bewegt, sondern auch das Wassernetzwerk, welches darin sitzt. Das Spannende dabei: Die Wassermoleküle besetzen immer wieder ganz bestimmte Stellen in der Tasche. Die einzelnen Wassermoleküle bleiben al­ler­dings nicht lange auf ihren vorgegebenen Plätzen, sondern wer­den bereits nach Nanosekunden, also nach einer Zeit noch viel kürzer als Mikrosekunden, wieder aus­ge­tauscht. Das könne man sich vorstellen wie bei ei­nem Bus, in dem ständig neue Men­schen sitzen – jedoch immer auf den durch die jeweilige Ar­chi­tek­tur des Innenraumes vorgegebenen Plätzen, so Linser.

Erkennt­nisse auch wich­tig für Ex­zel­lenz­clus­ter Resolv

Obwohl die einzelnen Wassermoleküle kaum verweilen, zei­gen sich auch auf der Mikrosekundenzeitskala Veränderungen in der Struk­tur – d. h. der vorgegebenen Plätze – des Wassernetzwerks. Die Veränderungen der Wasserstruktur, so leiten die Forscher ab, könnten einen eigenen Bei­trag zur Katalyse leisten, für die die Wasserinteraktionen eine wich­ti­ge Komponente sind. Diese Erkenntnis liefert Ansatzpunkte für wei­tere Arbeiten, zum Bei­spiel von Kolleginnen und Kollegen aus der Bi­o­tech­no­lo­gie, die sich mit der Nutzung von Enzymen in tech­nisch­en An­wen­dungen be­schäf­ti­gen.

Dass das Wasser eine Rolle auf dieser langsamen, für die Katalyse wich­ti­gen Zeitskala spielt, ist auch eine wich­ti­ge Information für die Wissen­schaft­lerinnen und Wis­sen­schaft­ler von Resolv. Im Ex­zel­lenz­clus­ter der TU Dort­mund und der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum erforschen sie, wie Lösungsmittel in die Kon­trol­le, Ver­mitt­lung und Steuerung chemischer Reaktionen involviert sind.

Das Team
Den Fachartikel hat Prof. Rasmus Linser ge­mein­sam mit seinen Mitarbeitern Dr. Himanshu Singh und Dr. Suresh Vasa ver­öf­fent­licht. Von der Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum waren Prof. Lars Schä­fer, Dr. Christopher Päslack und Dr. Chandan Das be­tei­ligt. Außerdem wirkten Wis­sen­schaft­ler von der Ludwig-Maximilians-Uni­ver­si­tät Mün­chen mit.
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Über Prof. Rasmus Linser
Prof. Rasmus Linser nahm 2018 den Ruf an die TU Dort­mund an. Er brachte mit der biomolekularen NMR-Spektroskopie ein neues Fach­ge­biet an die Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Biologie. Linser studierte Chemie in Göttingen und Madrid. 2010 promovierte er an der Humboldt-Uni­ver­si­tät und am Leibniz-Institut für molekulare Pharmakologie in Berlin. Nach ei­nem Jahr an der Uni­ver­sity of New South Wales (UNSW) in Sydney, Australien, verbrachte er drei Jahre abwechselnd an der Harvard Medical School in Boston, USA, der UNSW Sydney und dem Walter and Eliza Hall In­sti­tute in Melbourne, Australien. Ab 2014 war Linser Emmy-Noether-Nach­wuchs­grup­pen­lei­ter am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, 2015 wurde er auf eine Pro­fes­sur an der Ludwig-Maximilians-Uni­ver­si­tät Mün­chen berufen.

Über RESOLV
Bund und Länder fördern das Ex­zel­lenz­clus­ter RESOLV bereits seit 2012. Sprecherhochschulen sind die TU Dort­mund und die Ruhr-Uni­ver­si­tät Bochum. Das Team besteht aus über 200 Wissen­schaft­lerinnen und Wis­sen­schaft­lern. Sie wol­len ver­ste­hen, wie das Lösungsmittel in die Kon­trol­le, Ver­mitt­lung und Steuerung chemischer Reaktionen involviert ist. Schließlich finden die meisten chemischen Reaktionen, wich­ti­ge in­dus­tri­el­le Prozesse und nahezu alle biologischen Vorgänge in flüssiger Phase statt.

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Der Cam­pus der TU Dort­mund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dort­mund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dort­mund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Cam­pus Süd, die Abfahrt Dort­mund-Dorstfeld auf der A40 zum Cam­pus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Uni­ver­si­tät ausgeschildert.
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Direkt auf dem Cam­pus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dort­mund Uni­ver­si­tät“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 15- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dort­mund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duis­burg. Außerdem ist die Uni­ver­si­tät mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, au­ßer­dem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Cam­pus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Cam­pus Nord und Cam­pus Süd. Diese Stre­cke legt sie in zwei Minuten zu­rück.

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Die Ein­rich­tun­gen der TU Dort­mund verteilen sich auf den größeren Cam­pus Nord und den kleineren Cam­pus Süd. Zu­dem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.