Um ihre Funktion erfüllen zu können, müssen biologische Zellen in separate Reaktionskompartimente unterteilt werden. Dies geschieht teils mit Membranen, teils auch ohne: Durch die spontane Entmischung bestimmter Arten von Biomolekülen kommt es zur Bildung sogenannter Kondensate. Warum und unter welchen Umständen sie entstehen, wird derzeit erforscht.
Mithilfe von Computersimulationen haben Professor Lars Schäfer und Dr. Saumyak Mukherjee vom Zentrum für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum einen oft übersehenen Akteur identifiziert: Wasser. Aufgrund ihrer schieren Anzahl sind die kleinen Wassermoleküle im molekularen Tauziehen der treibenden Kräfte, die der Bildung der Kondensate zugrunde liegen, ebenso wichtig wie die großen Biomoleküle. Die beiden Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturkommunikation am 21. September 2023.
Erst kürzlich konnten Studien die Existenz der Kondensate als Reaktionsräume in Zellen nachweisen. „Diese Kondensate sind unglaublich dicht gepackt, es handelt sich also um ein molekulares Geflecht aus biologischen Makromolekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren“, erklärt Schäfer.
Da nur bestimmte Makromoleküle solche Kondensate miteinander bilden, können sie als spezifische Mikroreaktoren für ganz bestimmte biochemische Reaktionen fungieren, die in der Zelle ablaufen. „Es ist daher nicht verwunderlich, dass Störungen dieser Prozesse mit verschiedenen Erkrankungen einhergehen“, sagt Schäfer.
Warum bilden sich diese Kondensate in der Zelle und unter welchen Umständen? „Die zugrunde liegenden treibenden Kräfte verbergen sich letztlich in den chemischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Molekülen in der Zelle“, sagt Mukherjee. „Computersimulationen können helfen, Licht in dieses Phänomen zu bringen, sogar bis ins atomare Detail.“ Wie sich herausstellt, spielt ein häufig übersehener Akteur in der molekularen Wechselwirkung eine Schlüsselrolle: Wasser.
Die Eigenschaften der Wassermoleküle im dichten Geflecht innerhalb der Kondensate unterscheiden sich von denen der Wassermoleküle außerhalb. „Der Einschluss der Wassermoleküle im Inneren des Kondensats ist eine ungünstige Triebkraft, während die Freiheit der Wassermoleküle außerhalb günstig ist. Letztere gewinnen dieses molekulare Tauziehen – wenn auch nur knapp“, erklärt Schäfer.
Neben den häufig beschriebenen Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen wie Proteinen spielen Wassermoleküle auch eine wichtige Rolle bei der Bildung biomolekularer Kondensate in Zellen. „Es ist ein bisschen wie bei David und Goliath“, erklärt Mukherjee. „Hier sind die kleinen Wassermoleküle und dort die großen Proteinmoleküle. Allerdings gibt es viele Wassermoleküle, und zusammen tragen sie genauso viel zur Antriebskraft bei wie die großen Proteine.“
Mehr Informationen:
Saumyak Mukherjee et al.: Thermodynamische Kräfte von Protein und Wasser steuern die Kondensatbildung einer intrinsisch ungeordneten Proteindomäne. Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41586-y