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Gesteuerte Phasentrennung in Membranen
Durch ein künstliches Metalloenzym (orangebraune Struktur), das auf der Oberfläche von Lipidmembranen verankert ist, lässt sich die laterale Phasentrennung in Membranen gezielt steuern (dargestellt durch hellblaue und pinkfarbene Bereiche). Die gezielte genetische Optimierung des Enzyms kann zur Bildung grösserer Membrandomänen führen, die aufgrund der unterschiedlichen Krümmung der Membranen zur Zellknospung führen kann. (Abbildung: R.Hamaguchi, Institute of Science, Tokyo)
Zellmembranen bestehen aus einer Mischung verschiedener Lipide und Proteine. Diese sind nicht immer gleichmässig verteilt. Unter bestimmten Bedingungen lagern sich ähnliche Lipide und Proteine seitlich (lateral) in der Membran zu kleinen Bereichen zusammen. Durch diese Phasentrennung entstehen innerhalb der Membran funktionelle Zonen, die für zahlreiche biologische Prozesse wie Signalübertragung oder Transport eine wichtige Funktion erfüllen.
Ein Team von Forschenden aus dem SNI-Netzwerk hat nun erstmals gezeigt, dass sich solch eine laterale Phasentrennung in Membranen gezielt durch eine chemische Reaktion steuern lässt. Möglich wird dies durch den Einsatz eines künstlichen Metalloenzyms, das auf der Oberfläche der Lipidmembran verankert wurde. Dieses Enzym katalysiert die sogenannte ringschliessende Olefinmetathese (RCM) – eine Reaktion, bei der die Forschenden ein massgeschneidertes Substrat nutzen, das nach der Katalyse ein kleines Molekül (Decansäure) freisetzt. Dieses Molekül fügt sich spontan in die Lipid-Doppelschicht ein und verändert dadurch die Zusammensetzung, Krümmung und letztlich die Struktur der Membran.
Durch gezielte genetische Optimierung eines künstlichen Metalloenzyms gelang es dem Team um Prof. Dr. Thomas Ward (Departement für Chemie, Universität Basel) und Prof. Dr. Kazushi Kinbara (Institute of Science, Tokyo), die Reaktionsgeschwindigkeit um das Dreifache zu steigern und die Bildung grösserer Membrandomänen zu induzieren. Da diese Domänen unterschiedliche Krümmungen aufweisen, löste die durch das Metalloenzym katalysierte Reaktion letztlich die Zellknospung aus – den Mechanismus der Zellteilung, der bei Hefe beobachtet wird. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke in einen alternativen Weg zur Auslösung der Zellteilung, einem grundlegenden Prozess des Lebens.
Der kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Artikel beleuchtet, wie chemische Katalyse zur dynamischen Steuerung von Membranen eingesetzt werden kann – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu „intelligenten“ künstlichen Vesikeln.
Originalpublikation
Programmable Artificial-Cellular Membrane Dynamics via Ring-Closing Metathesis
Rei Hamaguchi, Damian Alexander Graf, Kazushi Kinbara, Thomas R. Ward
J. Am. Chem. Soc. 2025
https://doi.org/10.1021/jacs.5c10187
Forschungsgruppe Prof. Dr. Thomas Ward
https://ward.chemie.unibas.ch/en/research/