Zellfreie Systeme ermöglichen neue Einblicke in das Sec-Translokon
Das Sec-Translokon stellt eine zentrale molekulare Struktur dar, die für den Transport und die Integration nahezu aller Membranproteine in Zellen von Bakterien bis hin zu Menschen verantwortlich ist. Aufgrund seiner essentiellen Funktion für das Überleben der Zelle war eine direkte Analyse oder gezielte Modifikation in lebenden Organismen bisher kaum realisierbar. Forschende am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie unter Leitung von Tobias Erb entwickelten mit „Prosecco“ eine neuartige zellfreie Plattform, die erstmals die Herstellung des Sec-Translokons in künstlichen Membranen erlaubt. Dieses System zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit und Skalierbarkeit aus und eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Biotechnologie und synthetischer Biologie.
Kernaspekte der Forschung
- Das Sec-Translokon ist das molekulare Tor für den Einbau und Export von Membranproteinen und lässt sich bis zum letzten gemeinsamen Vorfahren aller Zellen zurückverfolgen.
- Die essentielle Funktion des Sec-Translokons führt dazu, dass viele Mutationen tödlich sind, was eine Untersuchung in lebenden Zellen erschwert.
- Mit der zellfreien Plattform „Prosecco“ können Sec-Translokon-Proteine direkt in synthetischen Membranvesikeln produziert und ihre Funktion in Echtzeit außerhalb lebender Zellen analysiert werden.
- In einem einzigen Experiment wurden mehr Sec-Varianten untersucht als in den vergangenen drei Jahrzehnten zusammen, darunter Varianten mit deutlich gesteigerter Aktivität.
- Die Erkenntnisse ermöglichten eine verbesserte Produktion eines therapeutisch relevanten Proteins.
Die Rolle des Sec-Translokons als molekulares Tor
Das Sec-Translokon ist für den Proteintransport in und aus der Zelle unverzichtbar. Nahezu alle Proteine, die in Zellmembranen eingebettet oder exportiert werden, passieren diese Struktur. Der zentrale Bestandteil SecY ist über Millionen von Jahren konserviert, was die fundamentale Bedeutung unterstreicht. Aufgrund der lebenswichtigen Funktion führen viele Mutationen zu Zelltod, weshalb die Erforschung des Kanals in lebenden Zellen stark eingeschränkt ist. Trotz großem Interesse wurden in den letzten 30 Jahren nur wenige Sec-Varianten detailliert untersucht.
Aufbau des Sec-Translokons in künstlichen Membranen
Ein Team synthetischer Biologen um Dr. Markus Meier, Dr. Scott Scholz und Prof. Dr. Tobias Erb entwickelte das zellfreie System „Prosecco“ (Protein Secretion in Cell-free via a synthetic Operon). Dieses ermöglicht die vollständige Herstellung des Sec-Translokons aus genetischer Information im Reagenzglas. Die Kanalproteine integrieren sich dabei selbstständig in künstliche Membranvesikel. Ein lumineszentes Signal zeigt in Echtzeit, ob der Kanal korrekt eingebaut wurde und wie effizient der Proteintransport erfolgt.
Markus Meier erläutert: „Viele interessante Mutationen sind in lebenden Bakterien nicht untersuchbar. Die Herstellung des Kanals in synthetischen Vesikeln erlaubt die Analyse hunderter Varianten gleichzeitig, einschließlich solcher, die in lebenden Zellen tödlich wären.“
Hochdurchsatzanalyse von SecY-Varianten
Mittels automatisierter Hochdurchsatzverfahren wurden rund 300 SecY-Varianten parallel untersucht, davon über 200 bislang unbekannte. Die Anzahl der charakterisierten Varianten konnte so nahezu vervierfacht werden. Unter den getesteten Varianten befanden sich zahlreiche Mutationen an fast 40 verschiedenen Stellen des Kanals, die eine bis zu achtfache Steigerung der Transportaktivität zeigten. Zudem wurde erstmals eine Variante gefunden, die die Einbauaktivität des Kanals in die Membran messbar verbesserte. Die Ergebnisse bestätigen frühere Studien und klären langjährige Widersprüche, die auf inkonsistente und überwiegend qualitative Methoden zurückzuführen waren.
Verbesserung des Proteinexports
Zur Demonstration der praktischen Anwendbarkeit nutzten die Forschenden die Plattform, um die Produktion eines therapeutisch relevanten Nanobody-Proteins zu optimieren. Nanobodies sind kleine Antikörperfragmente mit Einsatz in Forschung und Medizin. Durch systematisches Testen verschiedener Signalpeptide, die Proteine zur Exportmaschinerie leiten, und die Kombination des effektivsten Signalpeptids mit einer besonders aktiven SecY-Variante konnte der Export des Nanobodies signifikant gesteigert werden. Dies belegt den direkten Nutzen der mit „Prosecco“ gewonnenen Erkenntnisse für die biotechnologische Proteinproduktion.
Bedeutung für Forschung und Entwicklung synthetischer Zellen
Prof. Dr. Tobias Erb fasst zusammen: „Proteine wie das Sec-Translokon sind zentral für zelluläre Prozesse, aber in lebenden Zellen schwer zugänglich. Zellfreie Systeme der synthetischen Biologie ermöglichen hier einen Paradigmenwechsel. Durch die isolierte Untersuchung dieser molekularen Maschine konnten wir offene Fragen aus drei Jahrzehnten Forschung klären und ein Werkzeug zur gezielten Weiterentwicklung von Membranproteinen schaffen.“
Die Plattform ist insbesondere für die Entwicklung synthetischer Zellen von Interesse, die aus einzelnen biologischen Komponenten schrittweise aufgebaut werden. Im Rahmen des neu geförderten europäischen Postdoc-Netzwerks SynCell-nExUs, das im Herbst 2026 startet, wird die Technologie weiter erforscht.
Wissenschaftliche Ansprechpartner
Prof. Dr. Tobias Erb
Direktor
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg
Telefon: +49 6421 178-700
E-Mail: toerb@mpi-marburg.mpg.de
Originalpublikation
Meier, M.; Scholz, S. A.; von Bank, L.; Levandoski, J. E.; Lückhof, M.; Schaaf, M.; Safronova, N.; Greenwood, N. F.; Si, S.; Lieberwirth, I.; Jung, A. L.; Landfester, K.; Driessen, A. J. M.; Erb, T. J.
Functional mapping and engineering of the Sec translocon unlocked by a cell-free system
Science Advances, Band 12, Ausgabe 36 (2026)
DOI: 10.1126/sciadv.aej0987
