Wiener Forscher beweisen ungenaue Protein-Simulation

Gängige Computerprogramme, mit denen sich Forscher auf die Suche nach dem Aufbau von Proteinkristallstrukturen machen, dürften über die tatsächlichen Positionen einzelner Atome ungenauer Auskunft geben als bisher vermutet. Daten aus einem Experiment lassen Wiener Forscher darauf schließen, dass die Beweglichkeit einzelner Teilchen bis zu sechs Mal größer ist als es Modelle vorhersagen.

Schwankender Durchschnittswert

Um die Zusammensetzung einzelner Proteine zu bestimmen, setzen Wissenschafter auf die sogenannte Röntgenkristallographie, die eine weitgehend genaue Bestimmung des atomaren Bauplans ermöglicht. Dabei wird ein Kristall, der aus Millionen Proteinen mit gleicher Struktur besteht, mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Diese Methode liefert einen Durchschnittswert des dynamischen Verhaltens sehr vieler Atome, im jeweils gleichen Aufbau. Aufgrund dieser vielen Daten wird mittels Computerprogrammen ein Modell dafür errechnet, an welchem Platz im Molekül sich welches Atom wahrscheinlich befindet.

Da sich die Atome in den Strukturen allerdings bewegen, kann auf diese Art und Weise lediglich ihr durchschnittlicher Aufenthaltsort berechnet werden. Wie genau ein solcher Durchschnittswert mit den tatsächlichen Verhältnissen zusammenpasst, haben nun Computerbiologen der Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien in einem Experiment untersucht.

Überraschende Ergebnisse

Die Wissenschafter um Antonija Kuzmanic und Bojan Zagrovic entwarfen dazu ein Protein am Computer, dessen einzelnen Atomen sie entweder mehr oder weniger Bewegungsfreiheit gewährten. Ebenfalls virtuell führten sie dann Röntgenkristallographien der verschieden dynamischen Strukturen durch. Danach fütterten sie gängige Computerprogramme zur Bestimmung der Struktur mit den Daten. Dieser experimentelle Aufbau erlaubte es den Forschern, Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob und wie genau diese Analysemethoden tatsächlich Ergebnisse liefern, die mit der tatsächlichen Struktur übereinstimmen.

„Wir waren total überrascht, als wir festgestellt haben, dass die gängigen Programme zur Analyse röntgenkristallographischer Daten zur Strukturbestimmung von Proteinen die Dynamik innerhalb des Proteins - also wie stark jedes einzelne Atome in seiner Position herumwackeln kann - völlig unterschätzen. Unsere Daten zeigen, dass die Beweglichkeit der Atome bis zu sechsmal höher ist. Das ist, als ob man seinen Kopf plötzlich um 180 Grad drehen könnte, statt nur nach links oder rechts“, erklärt Kuzmanic in einer Aussendung.

Neue Methoden gesucht

Die Programme scheinen also kein sehr realistisches Bild über die Beweglichkeit von Atomen innerhalb der Strukturen zu zeichnen, berichteten die Wissenschafter in der Fachzeitschrift „Nature Communications“. Proteinstrukturen seien wahrscheinlich weit dynamischer und heterogener, als gängige Methoden zur Röntgenstrukturanalyse nahelegen. Da man sich vor allem bei der Entwicklung von Proteinen, die möglicherweise als Medikamente dienen, auf Daten aus den scheinbar ungenauen Methoden verlasse, brauche es hier neue Ansätze.