Buch „Genetischer Detektiv. Von der Ribosomenforschung zum Nobelpreis “

Hallo habrozhiteli!

Venkatraman "Kränze" Ramakrishnan ist ein amerikanischer und britischer Biochemiker, der zusammen mit Thomas Steitz und Ada Yonat den Nobelpreis für Chemie 2009 erhielt, "für die Untersuchung der Struktur und Funktionen des Ribosoms". Seit 2015 Präsident der Royal Society, Mitglied der US National Academy of Sciences.

Jeder kennt die DNA, das Molekül, das unsere Gene speichert. Aber DNA ist ohne Ribosom nutzlos - ein einzigartiger Prozessor, der den genetischen Code entschlüsselt. Es ist das Ribosom, das der Motor des Lebens ist. „Der genetische Detektiv. Vom Studium des Ribosoms bis zum Nobelpreis “ist eine faszinierende Geschichte über die Entdeckung seiner unglaublich komplexen Struktur und die Entschlüsselung des alten Mysteriums des Lebens.

Auszug. Erste Kristalle

Ihr Erfolg motivierte andere, sich dieser Arbeit anzuschließen. Die Sowjetregierung organisierte ein großes wissenschaftliches Zentrum in der Stadt Puschchino. Es gab mehrere gut finanzierte Forschungsinstitute, von denen eines von einem brillanten Biochemiker und Ribosomenspezialisten, Alexander Sergejewitsch Spirin, geleitet wurde. Wie Wittmann leitete er eine große wissenschaftliche Abteilung, in der fast alle Aspekte von Ribosomen untersucht wurden. Er war nicht so systematisch wie Wittmann, hatte eine reiche wissenschaftliche Vorstellungskraft und war bereit, mutige Ideen zu veröffentlichen. Darüber hinaus zeigte sich Spirin als eine sehr unabhängige Person, die sich nicht den Behörden beugte. Als er gebeten wurde, eine Petition mit der Initiative zu unterzeichnen, Andrei Sacharow, den berühmten Kernphysiker, Dissidenten und Schöpfer der sowjetischen Wasserstoffbombe, von der Akademie der Wissenschaften der UdSSR zu vertreiben.Eine offene Weigerung, eine solche Petition zu unterzeichnen, könnte für ein prominentes Mitglied der Akademie der Wissenschaften neben dem Direktor eines großen Forschungsinstituts eine politisch kurzsichtige Handlung gewesen sein, weshalb Spirin beschloss, für kurze Zeit einen Jagdausflug in die Wälder neben Pushchino zu unternehmen.

Eine seiner Mitarbeiterinnen, Maria Borisovna Garber, leitete eine kleine Gruppe, die versuchte, einzelne Ribosomenproteine ​​oder Proteinfaktoren zu kristallisieren, die verschiedene Ribosomenfunktionen bereitstellen. Wie die anderen arbeitete sie an E. coli-Material.

Garber änderte 1978 ihren Ansatz zur Untersuchung von Ribosomen, nachdem sie einen japanischen Bericht gelesen hatte, in dem die Arbeit mit einem neuen thermophilen Bakterium beschrieben wurde, auf dessen Material zwei im Ribosom wirkende wichtige Proteine ​​kristallisiert werden konnten. Ein wenig tautologisch Thermus thermophilus genannt, wurde es 1971 von Tyro Oshima in heißen Quellen auf der Izu-Halbinsel entdeckt. Es wächst am besten bei 75 ° C.

Garber reiste für einige Monate nach Japan und brachte im Dezember 1979 mehrere solcher Bakterienkulturen in die UdSSR - aber leider starben unterwegs Mikroorganismen. Sie bat Oshima, ihre frischen Zellen per Post zu schicken, und sie kamen sicher an. Ende 1980 gelang es Garber und Kollegen, fruchtbar an diesen Bakterien zu arbeiten, und sie erhielten wunderschöne Proteinkristalle (oder besser gesagt Proteinfaktor), den sogenannten Elongationsfaktor G, der dem Ribosom hilft, sich entlang der mRNA zu bewegen.

Der erste Erfolg mit T. thermophilus-Proteinen inspirierte Garber und ihre Kollegen, mit diesem Organismus zu experimentieren. Es stellte sich als ziemlich teuer heraus, T. thermophilus in der UdSSR zu züchten, und Garber lud andere sowjetische Wissenschaftler ein, das Bakterium für alle Proteine, die nützlich sein könnten, zusammen zu zerlegen.

Unter seinen Kollegen war Garber Igor Nikolayevich Serdyuk, der „Kontakte zu ausländischen Partnern“ pflegte und selbst auf dem Höhepunkt des Kalten Krieges oft problemlos in den Westen reiste. Zuvor verwendete er Methoden mit niedriger Auflösung, um die Form der Ribosomen zu skizzieren, und fragte sich natürlich, ob sie mit Materialien aus dem Garber-Labor kristallisieren könnten. Er und seine Schülerin Elizabeth Karpova reinigten T. thermophilus-Ribosomen und erhielten sehr kleine Kristalle, ähnlich den ersten in Berlin synthetisierten Kristallen. Nach diesem Erfolg wandte sich Garber an Spirin mit der Bitte, die Gruppe und ihre Versuche, die Ribosomen des neuen Stammes zu kristallisieren, zu unterstützen.

Er stimmte zu, und mehrere weitere Personen schlossen sich dem Fall an, darunter Marat Yusupov, ein Schüler von Spirin. Da die Wissenschaftler keine ernsthafte Erfahrung mit Kristallisation hatten, wandten sie sich an zwei Mitarbeiter des Moskauer Instituts für Kristallographie - Vladimir Barynin und Sergey Trakhanov. Bis 1986 konnten sie die kleine Untereinheit kristallisieren und mit der Technik, mit der Trakhanov die Ribosomen löschte, ein ganzes Ribosom. Unter Berücksichtigung der 50S-Kristalle, die durch die Kräfte von Jonat und Wittmann erhalten wurden, standen nun beide Untereinheiten und das gesamte Ribosom Wissenschaftlern zur Verfügung.

Jussupow präsentierte seine Ergebnisse in Form eines Plakats, das im Juli 1987 in Bishenbourg bei Straßburg in Frankreich gezeigt wurde. Einen Monat später wurde diese Arbeit in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift FEBS Letters veröffentlicht. Nach einigen Monaten berichteten Jonat und Wittmann, dass es ihnen auch gelungen war, die kleine Untereinheit und die gesamten Ribosomen auf dem Material desselben T. thermophilus-Stammes zu kristallisieren. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in derselben unbekannten Zeitschrift Biochemistry International. Im folgenden Jahr schrieb Yonat, dass es ihnen gelungen sei, die Kristalle der kleinen Untereinheit (30S) zu verbessern, und jetzt sahen sie zumindest nicht schlechter aus als die sowjetischen.

Dies könnte zu einem harten Wettbewerb zwischen der sowjetischen und der deutschen Gruppe führen, aber dies geschah nicht. Die Russen erhielten viel weniger Geld als die Deutschen und waren insbesondere für die kristallographische Verarbeitung großer Moleküle weniger gerüstet. Marat Yusupov und seine Frau Gulnara versuchten, die Forschung auf die nächste Stufe zu bringen, und gingen nach Straßburg, wo sie gemeinsam mit Jean-Pierre Ebel und Dino Moras die kristallographische Untersuchung von Ribosomen fortsetzen wollten. Aus Gründen, die Jussupow unbekannt waren, beschloss Ebel irgendwann, die Zusammenarbeit einzustellen. Spirin glaubte, dass Jonath und Wittmann Ebel davon überzeugt hatten, dass es sich nicht lohnte, mit ihnen zu konkurrieren.

Was auch immer die wahren Gründe sein mögen, die sowjetischen Entwicklungen bei der Kristallisation von Ribosomen sind verblasst. Maria Garber kehrte zu ihren früheren wissenschaftlichen Interessen zurück: der Untersuchung einzelner ribosomaler Proteine ​​und Faktoren. Enttäuscht von der erfolglosen Arbeit verteilten sich einige wichtige Vertreter der sowjetischen Forschungsgruppe auf der ganzen Welt. Einige Jahre später, Mitte der neunziger Jahre, schrieb Yusupov an Harry Noller, einen führenden Biochemiker und Ribosomenspezialisten der University of California in Santa Cruz, und bat um Erlaubnis, in seinem Labor an der Ribosomenstruktur arbeiten zu dürfen. Diese Geschichte sollte jedoch für später aufbewahrt werden. Sergei Trakhanov führte im Wesentlichen ein Nomadenleben, nachdem er es geschafft hatte, zwanzig Jahre in Japan und den USA zu arbeiten. Er arbeitete auch einige Zeit im Labor von Noller, nachdem Jussupow von dort abgereist war; dann kehrte Trakhanov nach Europa zurück.

Mit dem tatsächlichen Abschluss des sowjetischen Projekts blieb Yonat an der Spitze der einzigen Gruppe der Ribosomenkristallographie. Bis Ende der 1980er Jahre war es noch nicht möglich, einen Einkristall zu erhalten, der so gut war, dass die Atomstruktur beider Untereinheiten des Ribosoms und noch mehr des gesamten Objekts darin sichtbar war. Sie waren jedoch gut geeignet, um grob beurteilen zu können, wie Proteine ​​und RNA im Ribosom interagieren.

In der Tat bildete sich die Struktur des Ribosoms allmählich zu einer Karte verschwommener Bilder, die unter Verwendung eines Elektronenmikroskops erhalten wurden. Ein Teil der damals relevanten Arbeit befasste sich mit Antikörpern, dh mit Proteinen, die von unserem Immunsystem synthetisiert werden und sich an genau definierte Ziele binden können. In einem Experiment synthetisierte Jim Lake von der University of California in Los Angeles Antikörper, die den Beginn eines neu hergestellten Proteins erkannten. 1982 zeigte er, dass diese Antikörper an die Rückseite einer großen Untereinheit binden, dh genau gegenüber dem Punkt, an dem eine neue Aminosäure mit tRNA an eine expandierbare Polypeptidkette bindet. Die Schlussfolgerung war, dass eine große Untereinheit einen Tunnel haben sollte: den eigentümlichen Geburtskanal, der eine neue Proteinkette passieren wird,bevor Sie auf der anderen Seite erscheinen. 1986 bestätigte Nigel Anwin die Existenz eines solchen Tunnels durch Analyse von Elektronenkristallen flacher Kristalle, die aus Eidechsenribosomen erhalten wurden, unter Verwendung eines Elektronenmikroskops. Im folgenden Jahr berichteten Jonat und Wittmann auch, dass sich in der Untereinheit ein Tunnel befindet, der sich auf die flachen Abschnitte der ribosomalen Kristalle stützt, die sie selbst mithilfe der Elektronenmikroskopie erhalten haben. Beide Berichte basierten auf Bildern mit niedriger Auflösung, weit entfernt von der aktuellen Ansicht des Ribosoms, aber Wissenschaftler identifizierten andere Objekte zuversichtlich als Tunnel, dessen Existenz Lake bereits bewiesen hatte.Im folgenden Jahr berichteten Jonat und Wittmann auch, dass sich in der Untereinheit ein Tunnel befindet, der sich auf die flachen Abschnitte der ribosomalen Kristalle stützt, die sie selbst mithilfe der Elektronenmikroskopie erhalten haben. Beide Berichte basierten auf Bildern mit niedriger Auflösung, weit entfernt von der aktuellen Ansicht des Ribosoms, aber Wissenschaftler identifizierten andere Objekte zuversichtlich als Tunnel, dessen Existenz Lake bereits bewiesen hatte.Im folgenden Jahr berichteten Jonat und Wittmann auch, dass sich in der Untereinheit ein Tunnel befindet, der sich auf die flachen Abschnitte der ribosomalen Kristalle stützt, die sie selbst mithilfe der Elektronenmikroskopie erhalten haben. Beide Berichte basierten auf Bildern mit niedriger Auflösung, weit entfernt von der aktuellen Ansicht des Ribosoms, aber Wissenschaftler identifizierten andere Objekte zuversichtlich als Tunnel, dessen Existenz Lake bereits bewiesen hatte.

Abgesehen von diesen Ergebnissen sind nur langsame Fortschritte zu verzeichnen. Selbst ein Jahrzehnt nach Erhalt der ersten dreidimensionalen Ribosomenkristalle blieb unklar, ob es möglich sein würde, zumindest einige verständliche Karten auf der Basis der Röntgenkristallographie zu erstellen. Trotzdem hielt Ada Yonat an diesem Traum fest und versuchte, ihre Kristalle zu verbessern.

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