Transport per Wassermolekül
Joanna Stachnik erforscht die Funktion von Proteinen
bei der bakteriellen Photosynthese
Seit 2005 widmet sich die Diplom-Biochemikerin
Joanna Stachnik der Photosynthese. Sie untersucht den
Elektronen- und Protonentransfer im photosynthetischen
Reaktionszentrum und möchte herausfinden, in welcher
Weise Wassermoleküle am Transfer beteiligt sind.
Ende 2008 erhielt sie für ihre Promotion am Lehrstuhl
für Biophysik ein abschlussbezogenes Stipendium der
Günter-und-Wilhelm-Esser-Stiftung.
Wenn Pflanzen Photosynthese betreiben, erzeugen sie mit
Hilfe von Licht Energie und Sauerstoff. Eine bisher unbeantwortete
Frage der Photosynthese-Forschung ist, wie Pflanzen Lichtenergie
in chemische Energie umwandeln. Hier setzt Joanna Stachniks
Forschung an: Sie möchte herausfinden, wie der Elektronentransfer
mit der Protonenaufnahme während der Photosynthese
gekoppelt ist. Zudem will sie den genauen Weg der Protonen
und die Rolle Proteingebundener Wassermoleküle bestimmen.
Einfacher formuliert: Wie gelangen Elektronen und Protonen
bei der Photosynthese von A nach B und welche Funktion
erfüllen dabei Wassermoleküle? Die bakterielle
Photosynthese dient als Modell. Sie verläuft einfacher
als die Photosynthese der Pflanzen, die gewonnenen Erkenntnisse
können aber später auf die Photosynthese in
Pflanzen übertragen werden.
Protein-Modell
Das „Dach“ von Stachniks Promotion bildet
der Sonderforschungsbereich 480 der RUB „Molekulare
Biologie komplexer Leistungen von botanischen Systemen“,
der seit 1998 durch die Deutsche Forschungsgesellschaft
(DFG) gefördert wird und noch bis 2010 läuft.
Bereits während ihrer Diplomarbeit am Lehrstuhl
für Biophysik (Prof. Dr. Klaus Gerwert) hat sich
Stachnik mit Membranproteinen beschäftigt. Da lag
es nahe, am selben Lehrstuhl ebenfalls über Proteine
zu promovieren: „Die Biophysik ist methodisch
interdisziplinär ausgerichtet. Man nutzt Arbeitsweisen
aus der Biologie, der Physik und Chemie“, erklärt
sie. Entsprechend abwechslungsreich ist ihr Arbeitsalltag.
Um mit Proteinen arbeiten zu können, muss sie diese
im Labor zunächst herstellen. Dafür kultiviert
sie Bakterien, aus denen die Proteine gewonnen werden.
Um einen Einblick in die Struktur der Proteine zu erhalten,
nutzt Joanna Stachnik die Methode der Proteinkristallisation
und Röntgenstrukturanalyse. Zum anderen untersucht
sie die Funktionsweise der Proteine mittels zeitaufgelöster
spektroskopischer Methoden.
Bei der Proteinkristallisation werden die Proteinkristalle
gezüchtet und anschließend mit Röntgenstrahlung
untersucht. Mit Hilfe aufwendiger Computermethoden wird
aus den Messdaten ein dreidimensionales Modell des Proteins
erstellt, das Einblick in strukturelle Details des Proteins
ermöglicht. Anhand der Kristallstruktur der Protein-Mutante
L210DN konnte Stachnik belegen, dass Wassermoleküle
an dem Transport von Protonen im photosynthetischen
Reaktionszentrum beteiligt sind.
Um die Funktion der Proteine detailliert zu verstehen,
nutzt Stachnik eine besondere Form der Spektroskopie,
die trFTIR-Spektroskopie (time resolved Fourier tranform
infrared; zeitaufgelöste Fourier-Transformierte
Infrarot). Das photosynthetische Reaktionszentrum wird
hierbei mit einem Laserblitz angeregt, führt eine
zyklische Reaktion durch und kehrt wieder in seinen
Grundzustand zurück. Dabei werden unter möglichst
physiologischen Bedingungen die Reaktionen des Proteins
mit höchstmöglicher Auflösung detektiert.
Damit ist es möglich, Protonierungszustände
von Aminosäuren oder Wassermolekülen zu beobachten.
Die so gewonnenen Informationen erlauben Rückschlüsse
auf den molekularen Reaktionsmechanismus des Proteins.
Wichtige Mutanten
Besonders wichtig ist die Arbeit mit Protein-Mutanten,
um Aussagen über die Funktionsweise des Proteins
zu treffen. Dabei werden einzelne Aminosäuren eines
Proteins verändert und das so modifizierte Protein
untersucht. Durch Vergleich der Ergebnisse von Protein-Mutanten
mit dem Wildtyp-Protein kann man Rückschlüsse
auf die Funktionen der veränderten Elemente ziehen.
Stachnik konnte beispielsweise zeigen, dass bei der
Mutante L210DN, die im Unterschied zum Wildtyp andere
kinetische Eigenschaften aufweist, einige Wassermoleküle
fehlen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Wassermoleküle
beim Protonentransfer beteiligt sind.
Insgesamt handelt es sich um Grundlagenforschung und
um die generelle Frage, wie ein Protein überhaupt
funktioniert. Ist die Funktionsweise von Membranproteinen
bei der Photosynthese erst einmal gelöst, können
die Ergebnisse auch auf menschliche Proteine übertragen
werden. In diesem Sommer wird Stachnik ihre Promotion
abschließen. Gerne würde sie danach als Post-Doc
für einige Zeit ins Ausland gehen und an einer
anderen Universität forschen.
Infos: Internet: http://www.bph.rub.de
Julia
Brosig
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