Alles unter Kontrolle in der zellulären Fettsäure-Fabrik

Göttinger Forscher entdecken erstes Protein, das die Fettsäure-Synthase reguliert

Keine andere Infektionskrankheit tötet mehr Menschen als die Tuberkulose. Sie wird durch Mykobakterien ausgelöst, die überwiegend die Lunge aber auch fast jedes Organ befallen können. Um die Erreger zu bekämpfen, ist die Fettsäure-Fabrik des Bakteriums ein wichtiger Ansatzpunkt. Die Fettsäure-Synthase (kurz FAS) gilt als eine der komplexesten zellulären Maschinen. Doch wie sie gesteuert wird, stellt Wissenschaftler auch nach 50 Jahren intensiver Forschung vor ein Rätsel. Das Team um Holger Stark und Ashwin Chari vom Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie, in Kooperation mit Kai Tittmann an der Universität Göttingen, hat jetzt erstmals ein Protein entdeckt, das die Arbeit der FAS reguliert. Dies eröffnet in der Medizin neue Möglichkeiten, Wirkstoffe insbesondere gegen Tuberkulose zu entwickeln. Für die Biotechnologie bietet es Chancen für maßgeschneiderte Fettsäure-Synthasen, die Produkte herstellen, die bisher unter anderem aus Erdöl gewonnen werden.

„Die Fettsäure-Synthase war ein Projekt, um das sich anfangs in unserer Gruppe niemand gerissen hat. Solche großen Nanomaschinen wie die FAS biochemisch und strukturell zu untersuchen, ist äußerst schwierig, ein Erfolg ist nicht garantiert“, erzählt Max-Planck-Direktor Stark, der am MPI für biophysikalische Chemie die Abteilung für Strukturelle Dynamik leitet. 

Fettsäure-Fabriken sind für Lebewesen unverzichtbar – ebenso wie die von ihnen produzierten, oft als Dickmacher verschrienen Fettsäuren. Letztere dienen als Energiespeicher, Baumaterial für biologische Membranen oder zelluläre Botenstoffe. In Hefepilzen und höheren Organismen besteht die FAS aus einem großen Komplex unterschiedlicher Enzyme. In Bakterien übernehmen einzelne Enzyme die gleichen Aufgaben.  Auch wenn die Architektur der FAS in Organismen sehr unterschiedlich ist, sind die an der Fettsäure-Herstellung beteiligten Enzyme strukturell sehr ähnlich. Dies gilt besonders für die FAS-Enzyme aus Hefepilzen und Tuberkulose-Erregern. Erkenntnisse über die Hefepilz-FAS lassen sich daher direkt auf die bakterielle Fettsäure-Fabrik übertragen. Letztere ist ein wichtiger Ansatzpunkt im Kampf gegen die Infektionskrankheit: Hemmt man die Mykobakterien-FAS gezielt, kann man die Vermehrung des Erregers stoppen – und das, ohne die Fettsäure-Fabrik in menschlichen Zellen zu beeinträchtigen, da sich beide in ihrer dreidimensionalen Architektur hinreichend unterscheiden. 

Molekulares Shuttle durch die Fettsäure-Fabrik

In Hefepilzen hat die FAS die Form einer Tonne und besteht aus zwei Kuppeln, die insgesamt sechs Reaktionskammern umfassen. Genau wie ihr Pendant beim Menschen bildet sie in sieben einzelnen Reaktionsschritten aus verschiedenen Molekülgruppen Fettsäuren, vor allem Palmitinsäure. Jeden dieser Schritte katalysiert ein eigenes Enzym an einer anderen Stelle der Fettsäurefabrik; die Fettsäuren müssen daher innerhalb der FAS von einem Enzym zum nächsten transportiert werden. Diese Aufgabe übernimmt ein molekulares Shuttle, das sogenannte Acyl-Carrier-Protein (ACP). „Uns hat vor allem interessiert, wie dieser Transport durch das verschlungene Labyrinth der FAS-Reaktionskammern von einem Enzym zum nächsten funktioniert“, sagt Projektleiter Chari. 

Tatsächlich waren sechs Jahre Arbeit und zwei Doktorarbeiten nötig, um diese Frage zu beantworten – die Ergebnisse hielten für die Forscher eine große Überraschung bereit. Doktorand Kashish Singh erinnert sich noch gut an die Schrecksekunde, als sie die ersten Ergebnisse Chari präsentierten: „Ashwin sah sofort, dass unsere aufgereinigte FAS einen Baustein zu viel enthielt.“ Sein Kollege Benjamin Graf ergänzt: „Unser erster Gedanke war, dass die Probe verunreinigt ist und alles umsonst war.“ 

Erster Regulator der Fettsäure-Synthase

Doch Chari interpretierte das Ergebnis seiner Doktoranden anders: Was, wenn der Baustein gar keine Verunreinigung ist, sondern ein bisher unbekannter, fester Bestandteil der FAS? Nach zwei weiteren Jahren harter Arbeit war klar: Der Baustein gehört tatsächlich zur FAS! Die Identität ebenso wie die Wechselwirkung mit FAS konnten massenspektrometrischen Analysen der Forschungsgruppe von Henning Urlaub am selben Institut bestätigen. Die Göttinger Forscher gaben ihm den Namen Gamma-Untereinheit. „Bei den bisher eingesetzten deutlich harscheren Aufreinigungsmethoden wurde diese vermutlich immer von der FAS abgetrennt und ausgewaschen – so wurde die Gamma-Untereinheit in den vielen Jahrzehnten, die man die FAS bereits erforscht, übersehen“, sagt Chari. 

Die nächste Herausforderung für die Doktoranden war es nun, die dreidimensionalen Strukturen der FAS mit und ohne Gamma-Untereinheit aufzuklären, um herauszufinden, welche Funktion dieser Baustein hat. Dazu haben Graf und Singh Röntgenstrukturanalysen mit der Kryo-Elektronenmikroskopie kombiniert. 

„Die langwierigen Experimente haben sich ausgezahlt. Wir konnten nachweisen, dass die Gamma-Untereinheit unentbehrlich ist, damit die Fettsäureproduktion starten kann und die Fettsäuren von einem Enzym zum nächsten transportiert werden. Die Untereinheit bringt die Fettsäurefabrik zunächst in die Startposition. Wie dies funktioniert, konnte die Gruppe um den Enzymologen Kai Tittmann von der Universität Göttingen durch eine detaillierte kinetische Analyse aufklären. Erst dann kann die FAS mit der Fettsäureproduktion beginnen. Und sie weist dem mit Fettsäuren beladenen ACP-Shuttle den Weg von einem Enzym zum nächsten. Dabei verändert sie die FAS-Struktur derart, dass der Weg für das Shuttle viel kürzer wird“, erklärt Max-Planck-Direktor Stark.  

Nutzen für die Medizin und Biotechnologie 

Dass Forscher erstmals verstehen, wie die Arbeit der FAS gesteuert wird, ist ein wichtiger Durchbruch in der Erforschung der Fettsäure-Synthase. „Unsere Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten, die FAS in Hefen enzymatisch zu verändern oder zukünftig neue Wirkstoffe zu entwickeln, die die Fettsäure-Fabrik beim Tuberkulose-Erreger hemmen. Dies könnte die FAS zu einem noch besseren Ansatzpunkt im Kampf gegen diese Infektionskrankheit machen“, erklärt Chari. Neue Therapieansätze sind umso wichtiger, da zunehmend mehr resistente Tuberkulose-Erreger auftreten. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) erkranken weltweit jährlich rund neun Millionen Menschen an Tuberkulose, etwa 1,4 Millionen sterben jedes Jahr an den Folgen der Krankheit. 

Die verbesserten Methoden der Göttinger Forscher könnten auch bei der FAS in menschlichen Zellen neue Erkenntnisse bringen, die sich möglicherweise im Kampf gegen Krebs einsetzen ließen. Denn Krebszellen benötigen für ihr rasantes Wachstum viel Energie. Viele Tumorarten haben dafür weit mehr Fettsäurefabriken als normale Körperzellen. Indem man ihre Fettsäureproduktion drosselt, könnte man auch die Vermehrung der Krebszellen hemmen. 

 Weitere wichtige Anwendungen sehen die Forscher um Stark und Chari in der Biotechnologie. Fettsäuren sind Bestandteil von Kosmetika, Seifen und Aromastoffen, aber auch in pharmazeutischen Wirkstoffen und Biokraftstoffen enthalten. Für die Forscher bieten sich Chancen, Fettsäuren nachhaltiger zu produzieren: „Bisher werden die dafür benötigten Fettsäuren vor allem chemisch aus Erdöl hergestellt oder aufwändig aus ölhaltigen Pflanzen extrahiert. Hefezellen mit maßgeschneiderten Fettsäure-Fabriken könnten Fettsäuren mit den gewünschten Eigenschaften herstellen. Diese könnten zukünftig fossile Energieträger ersetzen“, berichtet Chari. (cr)