Zellfreie Forschung öffnet ein Tor zur Zelle
Das Sec-Translokon ist die zentrale molekulare Schleuse für den Transport
und Einbau nahezu aller Membranproteine – von Bakterien bis zu
menschlichen Zellen. Da es für das Überleben der Zelle unerlässlich ist,
war eine direkte Untersuchung oder Manipulation in lebenden Organismen
bisher kaum möglich. Forschende um Tobias Erb am Max-Planck-Institut für
terrestrische Mikrobiologie entwickelten „Prosecco“, eine zellfreie
Plattform, die erstmals die direkte Herstellung des Sec-Translokons in
künstlichen Membranen ermöglicht. Die Plattform bietet eine bisher
unerreichte Geschwindigkeit und Skalierbarkeit und eröffnet neue
Möglichkeiten für Biotechnologie und Synthetische Biologie.
Kurz zusammengefasst
Nahezu alle Proteine, die in Zellmembranen eingebettet sind oder diese
durchqueren, passieren das Sec-Translokon. Dieses molekulare Tor ist so
fundamental, dass sein zentraler Bestandteil bis zum letzten gemeinsamen
Vorfahren aller heutigen Zellen zurückverfolgt werden kann.
Da Sec für das Überleben der Zelle unverzichtbar ist, sind viele
Mutationen tödlich – was eine umfassende Untersuchung oder gezielte
Veränderung des Kanals in lebenden Zellen bisher nahezu unmöglich machte.
Mit der Plattform „Prosecco“– kurz für Protein Secretion in Cell-free via
a synthetic Operon- lassen sich Sec-Proteinkanäle direkt in synthetischen
Membranvesikeln herstellen und ihre Aktivität in Echtzeit, vollständig
außerhalb lebender Zellen, messen.
In einem einzigen Experiment charakterisierte das Team mehr Sec-Varianten
als in den vorangegangenen drei Jahrzehnten, identifizierte Varianten mit
deutlich erhöhter Aktivität und verbesserte auf dieser Grundlage den
Export eines therapeutisch relevanten Proteins.
Ein essentieller Torwächter
Das Sec-Translokon fungiert als zentrales Tor des Lebens. Nahezu alle
Proteine, die aus der Zelle exportiert oder in Zellmembranen eingebaut
werden, passieren diese Proteinschleuse. Ihr zentraler Bestandteil SecY
blieb über Jahrmillionen unverändert, was ihre fundamentale Bedeutung
unterstreicht. Für Forschende stellt dies eine Herausforderung dar, da
Mutationen meist zum Zelltod führen. Trotz des großen wissenschaftlichen
Interesses, den Proteintransport durch Zellmembranen beeinflussen zu
können, wurden in den vergangenen 30 Jahren nur wenige Sec-Varianten
detailliert untersucht.
Den Proteinkanal in künstlichen Zellen aufbauen
Ein Team von Synthetischen Biologen um Dr. Markus Meier, Dr. Scott Scholz
und Prof. Dr. Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische
Mikrobiologie nutzte Ansätze der Synthetischen Biologie, um das Problem zu
umgehen. Prosecco - kurz für Protein Secretion in Cell-free via a
synthetic Operon - ist ein zellfreies System, das den Proteinkanal direkt
aus der genetischen Information vollständig im Reagenzglas herstellt.
Dabei bauen sich die Kanal-Proteine selbst in künstliche Membran-Vesikel
ein. Ein lumineszentes Signal macht anschließend in Echtzeit sichtbar, ob
der Kanal korrekt in die Membran eingebaut wurde und wie effizient er
Proteine transportieren kann.
„In lebenden Bakterien lassen sich viele der interessantesten Mutationen
nicht untersuchen“, erklärt Markus Meier, Erstautor der Studie. „Der
Aufbau des Kanals in synthetischen Vesikeln ermöglicht dies. So können
Hunderte Varianten gleichzeitig analysiert werden – auch solche, die in
lebenden Zellen tödlich wären.“
Drei Jahrzehnte Forschung in einem einzigen Experiment
Mit einem automatisierten Hochdurchsatzverfahren untersuchte das Team rund
300 verschiedene SecY-Varianten parallel, darunter mehr als 200, die noch
nie zuvor charakterisiert worden waren. In einem einzigen Versuchsansatz
konnte die Zahl der charakterisierten Sec-Varianten nahezu vervierfacht
werden. Darunter befanden sich Dutzende Varianten, die an fast 40
verschiedenen Positionen des Kanals verteilt sind und deren
Transportaktivität um bis zu das Achtfache gesteigert war. Außerdem
identifizierten die Forschenden erstmals eine Variante, die die
Einbauaktivität des Kanals in die Membran messbar, wenn auch moderat,
verbesserte. Die Ergebnisse bestätigen mit dem Großteil früherer Befunde
und klärten langjährige Widersprüche, die auf inkonsistenten, überwiegend
qualitativen Methoden zurückzuführen waren.
Proteinexport auf Hochtouren
Um das Potenzial von Prosecco für praktische Anwendungen zu demonstrieren,
wandten die Forschenden ihre Erkenntnisse auf eine konkrete
biotechnologische Fragestellung an: die Produktion eines therapeutisch
relevanten Nanobody-Proteins. Nanobodies sind kleine Antikörperfragmente,
die sowohl in der Forschung als auch in der Medizin eingesetzt werden.
Durch systematisches Testen verschiedener Signalpeptide – kurze
Aminosäureketten, die Proteine zur Exportmaschinerie leiten – und die
Kombination des wirksamsten Signalpeptids mit einer besonders aktiven
SecY-Variante konnte das Team den Export des Nanobodies im Vergleich zum
Standardverfahren deutlich steigern. Damit lieferte die Studie einen
direkten Beleg dafür, dass sich die mit Prosecco gewonnenen Erkenntnisse
in praktische Verbesserungen bei der Herstellung wertvoller Proteine
übertragen lassen.
„Proteine wie das Sec-Translokon, die im Zentrum zellulärer Prozesse
stehen, sind für die Forschung von großer Bedeutung. Gleichzeitig sind sie
in lebenden Zellen schwer zugänglich“, fasst Tobias Erb, Direktor am Max-
Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, die Bedeutung der Studie
zusammen. „Die Synthetische Biologie mit zellfreien Systemen kann hier die
Forschung revolutionieren. Durch die Isolierung und Untersuchung dieser
molekularen Maschine unter kontrollierten Bedingungen konnten wir offene
Fragen aus rund 30 Jahren Sec-Forschung klären und ein praktisches
Werkzeug entwickeln, um Membranproteine gezielt für Anwendungen in der
Synthetischen Biologie weiterzuentwickeln.“
Besonders interessant ist dies für die Entwicklung synthetischer Zellen,
also künstlicher Zellsysteme, die schrittweise aus einzelnen biologischen
Bausteinen aufgebaut werden. In diesem Zusammenhang wird die Plattform
auch im Rahmen des neu finanzierten europäischen Postdoc-Netzwerks
SynCell-nExUs [https://syntheticcell.eu/sync
next-generation-of-leaders-in-
das im Herbst 2026 starten soll.
