Zu den elegantesten Maschinen der Biologie gehören Proteine, die einen gemeinsamen Ursprung haben, aber sehr unterschiedliche Aufgaben übernommen haben. Wie diese Divergenz entsteht, ist eine zentrale Frage der molekularen Evolution. Ein Team aus der Universität Kiel, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Center for Structural Systems Biology (CSSB) ist dieser Frage mit einem Blick zurück in die Zeit nachgegangen. Unter der Leitung von Holger Sondermann, Professor an der Universität Kiel und Leiter der Strukturmikrobiologie am DESY, rekonstruierten die Forschenden den gemeinsamen Vorfahren zweier bakterieller Enzyme, stellten das längst ausgestorbene Protein im Labor her und verfolgten damit, wie im Verlauf der Evolution unterschiedliche Funktionen entstanden. Ihre in Science Advances veröffentlichten Ergebnisse geben seltene Einblicke in die molekulare Vergangenheit und zeigen eine leistungsfähige Strategie zur Untersuchung der Proteinentwicklung.
Zwei Enzyme, zwei auseinanderlaufende Rollen
Die in der Studie untersuchten beiden Enzyme gehören zu einer Gruppe von Proteinen, die als Nukleasen bezeichnet werden und Moleküle abbauen, die aus den chemischen Bausteinen des Erbguts bestehen. Obwohl die beiden Enzyme verwandt sind, haben sie innerhalb der Bakterienzelle unterschiedliche Nischen besetzt.
Das erste Enzym, NrnC, ist gewissermaßen ein Generalist. Es baut kleine Moleküle ab, die aus zwei miteinander verknüpften DNA- oder RNA-Bausteinen bestehen. Das zweite Enzym, diDNase, führt eine ähnliche Reaktion aus, ist aber spezialisiert: Es verarbeitet vor allem Moleküle, die aus zwei DNA-Bausteinen aufgebaut sind. Der Unterschied klingt subtil, ist für ein Bakterium aber wichtig. Die Fähigkeit, eine Art kleiner Nukleinsäure abzubauen, eine andere aber nicht, kann die Genregulation, die DNA-Reparatur und das Recycling von Erbmaterial beeinflussen.
Das wissenschaftliche Rätsel, wie Sondermann und seine Kolleginnen und Kollegen es formulierten, ist nicht nur, was diese Enzyme heute tun. Entscheidend ist, wie solch eng verwandte Proteine so unterschiedliche Vorlieben entwickelt haben. Im großen Maßstab der Evolution kann schon eine einzige Aminosäureänderung Form, Stabilität oder Aktivität eines Enzyms verändern. Doch diesen Weg nachzuvollziehen ist schwierig, wenn nur die heutigen Nachfahren sichtbar sind. Die Vergangenheit muss erschlossen werden, und der direkteste Weg, diese Schlüsse zu testen, ist, sie nachzubilden.
Die Grenzen der Untersuchung lebender Enzyme
Die neue Studie baut auf mehreren Jahren Forschung der Sondermann-Gruppe auf. Das Team begann auf konventionelle Weise: mit dem Vergleich von Proteinen aus verschiedenen Bakterien, um herauszufinden, welche Merkmale über die Zeit konserviert geblieben sind und welche sich verändert haben. Konservierte Regionen sind oft für Struktur oder Funktion essenziell, während variable Bereiche Unterschiede in der Spezifität erklären können.
In früheren Studien zu einer bestimmten Enzymfamilie identifizierte Sofia Mortensen, Wissenschaftlerin in der Sondermann-Gruppe, eine Gruppe von Proteinen, die eng mit bekannten Enzymen verwandt waren, aber andere Moleküle verarbeiteten. Diese Entdeckung öffnete die Tür, um zu untersuchen, wie funktionelle Divergenz innerhalb einer Familie entsteht, deren evolutive Beziehungen bereits klar waren. Die Proteine waren offensichtlich Geschwister, hatten sich aber in ihren chemischen Vorlieben auseinanderentwickelt.
Das Team versuchte zunächst, die Unterschiede zwischen den beiden Enzymen durch gezielte Veränderungen in den Proteinen zu erklären. Das ist ein gängiger Ansatz in der Protein-Engineering: eine Aminosäure nach der anderen mutieren und prüfen, welche Substitution ein Enzym von einer Aktivität auf eine andere umstellt. In diesem Fall scheiterte die Strategie jedoch. Die veränderten Proteine verloren entweder ihre Stabilität oder erfüllten die erwartete Funktion nicht. Das Herumbasteln an der sichtbaren Oberfläche der Enzyme reichte nicht aus, um den zugrunde liegenden Evolutionsweg offenzulegen.
Zurückblicken statt nach vorne
Da sich die heutigen Proteine einer einfachen Erklärung widersetzten, wählten die Forschenden einen anderen Weg. Statt nur die heute vorhandenen Proteine zu vergleichen, blickten sie auf ihre Evolutionsgeschichte zurück. Dahinter steht die Logik der Rekonstruktion ancestraler Sequenzen: Aus den Sequenzen vieler verwandter Proteine wird die wahrscheinlichste Sequenz eines Proteins erschlossen, das vor Millionen von Jahren existierte.
Das Team erstellte zunächst einen detaillierten Stammbaum der Enzymfamilie und ordnete NrnC, diDNase und weitere Verwandte nach der Ähnlichkeit ihrer Aminosäuresequenzen ein. Mit diesem Baum konnten sie die wahrscheinlichste Sequenz des gemeinsamen Vorfahren berechnen, von dem beide Enzyme abstammen. Dann folgte der eigentliche ambitionierte Schritt: Sie synthetisierten das Gen, exprimierten es im Labor und stellten das alte Protein in einer Form her, die direkt untersucht werden konnte.
Dieses wiederbelebte Protein ist mehr als ein Relikt. Es dient als Ausgangspunkt für Experimente. Indem das Team einen ancestralem Zustand nachbildet, kann es Veränderungen einzeln einführen und beobachten, wie jede Änderung das Protein in Richtung einer der modernen Funktionen verschiebt. Im Effekt ist das alte Enzym eine molekulare Zeitmaschine, die es den Forschenden erlaubt, Evolution im Reagenzglas nachzuspielen.
Ein struktureller Blick auf die molekulare Vergangenheit
Die Studie liefert auch eine strukturelle Perspektive. Die Forschenden konnten sich die 3D-Struktur des rekonstruierten Vorfahren der diDNase-Enzyme ansehen. Die Form eines alten Proteins zu sehen, hilft zu erklären, warum bestimmte Mutationen toleriert wurden und andere nicht. Außerdem wird klarer, wie das aktive Zentrum, also die Region, in der das Enzym seine chemische Reaktion ausführt, im Laufe der Zeit umgebaut wurde, um unterschiedliche Substrate zu akzeptieren.
Da das Vorläuferenzym vor der Aufspaltung in NrnC und diDNase liegt, repräsentiert seine Struktur vermutlich einen Zustand, in dem beide Funktionen noch möglich waren. Durch den Vergleich dieser Vorläuferstruktur mit den modernen Strukturen von NrnC und diDNase kann das Team die genauen Veränderungen identifizieren, die das Enzym in Richtung einer Spezialisierung kippen ließen. Solche Informationen sind schwer zu gewinnen, wenn man nur moderne Enzyme betrachtet, denn Millionen Jahre späterer Evolution können die frühen Schritte verdecken, die ein Protein auf einen bestimmten Weg gebracht haben.
Folgen für die Grundlagenforschung und das Protein-Engineering
Die Ergebnisse liefern Einblicke darin, wie Proteine im Laufe der Evolution unterschiedliche Funktionen entwickeln können, ihre Bedeutung reicht aber über reine Grundlagenneugier hinaus. Zu verstehen, wie die Natur Proteine umbaut, ist wertvoll für Forschende, die maßgeschneiderte Enzyme für Biotechnologie, Medizin oder industrielle Chemie entwickeln wollen.
Natürliche Evolution ist ein schrittweiser Prozess. Sie entwirft kein Protein von Grund auf, sondern modifiziert vorhandene, oft unter Ausnutzung der Flexibilität eines Vorfahren, der bereits eine geringe Aktivität gegenüber mehreren Substraten hatte. Der Fall von NrnC und diDNase verdeutlicht dieses Prinzip ungewöhnlich klar. Das Vorläuferenzym war offenbar in der Lage, zwei unterschiedliche Spezialisten hervorzubringen, die jeweils auf eine andere Art kleiner Nukleinsäure zugeschnitten waren.
Für heutige Proteiningenieure ist die Lehre, dass das bloße Mutieren von Resten in einem heutigen Enzym den Weg der Natur nicht zwangsläufig nachbildet. Manchmal liegen die Regeln, die die Evolution eines Enzyms steuern, tief in seiner Geschichte verborgen. Um ein Protein sinnvoll zu verändern, muss man vielleicht wie ein evolutionärer Paläontologe denken und die alten Formen berücksichtigen, aus denen heutige Proteine entstanden sind.
Ein Bauplan zum Zurückspulen der Evolution
Die Studie liefert auch einen methodischen Bauplan für andere Forschungsgruppen. Die Rekonstruktion ancestraler Sequenzen ist nicht neu, aber in Kombination mit Strukturbiologie und Laborwiederbelebung entstehen gerade bemerkenswerte Erkenntnisse. Die Infrastruktur von CSSB und DESY ermöglicht es, Evolutionsanalyse, Proteinproduktion und hochauflösende Strukturbestimmung unter einem intellektuellen Dach zusammenzuführen.
Der Erfolg des Teams unterstreicht auch den Wert von Beharrlichkeit. Die ersten Mutationsversuche scheiterten, und erst indem die Forschenden einen Schritt zurücktraten und eine längere evolutionäre Perspektive einnahmen, kamen sie voran. In der Wissenschaft wie in der Evolution erfordert der Weg nach vorn manchmal, erst zurückzugehen.
Blick nach vorn
Weitere Experimente werden nötig sein, um den gesamten Weg vom Vorläuferenzym zu den modernen Spezialisten zu kartieren. Jetzt, da sie das rekonstruierte Protein zur Hand haben, können die Forschenden beginnen, die Mutationen auszutauschen, die die beiden Linien voneinander trennen, und die Folgen in Echtzeit zu beobachten. Jedes Experiment wird dem Bild davon, wie sich diese Familie entwickelt hat, ein neues Detail hinzufügen und vielleicht allgemeine Prinzipien liefern, die auf viele andere Proteine übertragbar sind.
Für Nichtfachleute erinnert die Arbeit daran, dass Evolution nicht nur eine Kraft ist, die Elefanten und Orchideen formt, sondern auch ein Bildhauer der molekularen Maschinen in jeder lebenden Zelle. Indem ein Team von Wissenschaftlern ein längst verlorenes Protein wiederbelebte, zeigte es, dass die Vergangenheit nicht immer außer Reichweite liegt. Manchmal kann sie rekonstruiert, untersucht und dazu gebracht werden, ihre Geheimnisse preiszugeben.
Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Hier ist der Originalartikel.
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