Ribosomen: Arbeitstiere seit Milliarden Jahren

Dabei sind Ribosomen nur etwa so groß wie die kleinsten Viren mit einem Durchmesser von 20 Nanometern, also 20 millionstel Millimetern. Bis zu 20    000 Ribosomen gibt es in einer Bakterienzelle, bis zu einer Million sind es in jeder einzelnen Zelle unseres Körpers. Im Aufbau sind Ribosomen äußerst komplex: Sie bestehen aus über 50 Proteinkomponenten und mehreren Ribonukleinsäure-Molekülen. Ribosomen in Bakterien und höheren Zellen sind ähnlich aufgebaut, was darauf hindeutet, dass sie früh in der Evolution, vor mehr als drei Milliarden Jahren, entstanden sind. Ribosomen sind demnach die ältesten Nanomaschinen der Welt. Weil ohne Proteine in Organismen nichts geht und weil ohne Ribosomen keine Proteine entstehen, läuft in diesen winzigen Maschinen „ein fundamentaler Prozess“ ab, meint Wissenschaftlerin Prof. Marina Rodnina, die seit Jahren Ribosomen erforscht.

Seit 2008 leitet Biologin Rodnina die Abteilung „Physikalische Biochemie“ am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. Das Ziel der Wissenschaftlerin: die Funktionsweise von Ribosomen bei der Proteinbiosynthese im Detail aufklären und damit auch zum Verständnis des Phänomens der molekularen Erkennung in der Biologie beizutragen.

Damit Proteine ihre Aufgabe in der Zelle erfüllen können, sei es als Katalysator, Motor, Signalempfänger oder Transporter, muss ihr Zusammenbau sehr genau sein. Auch wenn für Proteine bis zu mehrere tausend Aminosäuren aneinandergereiht werden, kommt es auf jede einzelne an: Ein einziger falscher Baustein kann das Protein arbeitsunfähig machen. Deshalb wird jeder Schritt der Synthese genau kontrolliert. Die Kontrolle im Ribosom „ist einer der noch wenig verstandenen Wege, besonders beim Menschen. Herauszufinden, wie ‚Störfälle’ oder Fehler in der Proteinfabrik vermieden werden, ist eines unserer Ziele“, sagt Rodnina. Ausnahmen von der genauen Kontrolle sind für die Herstellung bestimmter Proteine allerdings notwendig, nämlich immer dann, wenn spezielle Aminosäuren, die nicht zum Standardrepertoire der 20 gängigen Aminosäuren gehören, benötigt werden.

Für die Forscher unter den 40 Mitarbeitern in der Abteilung „Physikalische Biochemie“ stellt sich deshalb auch die Frage, „welche Mechanismen erlauben Ausnahmen von der Regel? Wenn wir diese Mechanismen aufklären können werden wir auch besser verstehen, wie Fehler normalerweise vermieden werden“, erklärt Rodnina.

„Für mich ähnelt das Ribosom einem guten, aber nicht besonders fleißigen Schüler. Es ist nur so genau wie unbedingt nötig. Es soll auch gar nicht noch genauer sein, weil das Ribosom gleichzeitig sehr schnell arbeiten muss“, so Rodnina, „und höchste Genauigkeit und Geschwindigkeit lassen sich nicht gleichzeitig erreichen“. Sie meint, „es ist nicht die genaueste denkbare Maschine und nicht die schnellste, sondern für die Zelle die optimale“.

Während sich die Wissenschaftlerin bisher auf die Proteinsynthese in Bakterien konzentriert hat, steht inzwischen auch die weitaus komplexere Proteinsynthese in Zellen unseres Körpers im Fokus. „In menschlichen Zellen sind zur gleichen Zeit sehr viele Prozesse im Gang. Zu jedem Zeitpunkt muss entschieden werden, welche Prozesse Priorität haben und welche Proteine dafür jeweils hergestellt werden müssen“, erklärt Rodnina. „Dafür werden bei menschlichen Ribosomen schon die ersten Schritte der Proteinbiosynthese kontrolliert. Werden dabei Fehler gemacht, entstehen defekte Proteine oder nicht richtig gefaltete Proteine, die für die Zelle schädlich sein können; letzteres kennen wir beispielsweise von der Creutzfeldt-Jakob- oder der Alzheimer-Erkrankung“, erklärt die Biologin.

Es gilt, komplizierte biochemische Vorgänge aufzudecken. Die Professorin arbeitet dazu mit Postdoktoranden, Doktoranden und Technischen Assistenten zusammen. Rodnina sieht einen Vorteil des Standorts Göttingen darin, dass sie exzellente Nachwuchswissenschaftler bekommt. Biochemiker, Biophysiker, Molekularbiologen und eine Mathematikerin sind im Team. „Alle sind sehr gut und sehr motiviert“. Dazu kommt, dass in den verschiedenen Abteilungen und Forschungsgruppen des Instituts eine große Bandbreite unterschiedlichster Methoden etabliert ist. Sich unter den Gruppen gegenseitig auszuhelfen, ist selbstverständlich. „Eine E-Mail an alle, und eine der Gruppen wird die gesuchte Methode oder das benötigte Gerät zu bieten haben“, beschreibt Rodnina einen weiteren Vorteil des Max-Planck-Campus am Faßberg.

In der Abteilung „Physikalische Biochemie“ werden vor allem schnelle kinetische Methoden und die Fluoreszenzspektroskopie eingesetzt. Die dafür benötigten Ribosomen werden aus lebenden Zellen isoliert. Mithilfe bestimmter Markierungen können dann einzelne Schritte der Proteinbiosynthese untersucht werden – „bis zum letzten Proton“. Solche Untersuchungen sind zeitaufwändig. „Bis ein Doktorand schließlich seine Ergebnisse in einem Fachjournal veröffentlichen kann, bedeutet das einige Jahre Arbeit“, erklärt Rodnina.

Die 1960 geborene Wissenschaftlerin fand die Proteinbiosynthese schon während des Studiums spannend und entschied sich für eine Doktorarbeit auf dem Gebiet der Ribosomen. Ihre guten Ergebnisse an einem Institut der Akademie der Wissenschaften in Kiew (Ukraine) brachten ihr ein Alexander von Humboldt-Stipendium ein, mit dem sie als Postdoktorandin nach Deutschland kam. „Ich fand die Ribosomenforschung immer so faszinierend, dass ich gerne auf diesem Gebiet geblieben bin und wohl auch bleiben werde“.

Die Arbeitsweise des Ribosoms im Detail zu kennen, ist nicht zuletzt auch für die Medizin von großer Bedeutung. Eine Reihe von Antibiotika wirken am Ribosom und sind wirksam gegen bakterielle Infektionen, weil sich Ribosomen von Bakterien und höheren Organismen in wichtigen Details unterscheiden. Solche Antibiotika hemmen nur die bakteriellen Ribosomen, die Ribosomen höherer Zellen dagegen bleiben verschont. Allerdings: Bakterien werden über kurz oder lang resistent gegen häufig angewendete Antibiotika, sodass ständig neue Wirkstoffe entwickelt werden müssen. Dazu sind die Erkenntnisse aus der Ribosomenforschung unentbehrlich.