Ein essentieller Torwächter
Das Sec-Translokon fungiert als zentrales Tor des Lebens. Nahezu alle Proteine, die aus der Zelle exportiert oder in Zellmembranen eingebaut werden, passieren diese Proteinschleuse. Ihr zentraler Bestandteil SecY blieb über Jahrmillionen unverändert, was ihre fundamentale Bedeutung unterstreicht. Für Forschende stellt dies eine Herausforderung dar, da Mutationen meist zum Zelltod führen. Trotz des großen wissenschaftlichen Interesses, den Proteintransport durch Zellmembranen beeinflussen zu können, wurden in den vergangenen 30 Jahren nur wenige Sec-Varianten detailliert untersucht.
Den Proteinkanal in künstlichen Zellen aufbauen
Ein Team von Synthetischen Biologen um Dr. Markus Meier, Dr. Scott Scholz und Prof. Dr. Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie nutzte Ansätze der Synthetischen Biologie, um das Problem zu umgehen. Prosecco - kurz für Protein Secretion in Cell-free via a synthetic Operon - ist ein zellfreies System, das den Proteinkanal direkt aus der genetischen Information vollständig im Reagenzglas herstellt. Dabei bauen sich die Kanal-Proteine selbst in künstliche Membran-Vesikel ein. Ein lumineszentes Signal macht anschließend in Echtzeit sichtbar, ob der Kanal korrekt in die Membran eingebaut wurde und wie effizient er Proteine transportieren kann.
„In lebenden Bakterien lassen sich viele der interessantesten Mutationen nicht untersuchen“, erklärt Markus Meier, Erstautor der Studie. „Der Aufbau des Kanals in synthetischen Vesikeln ermöglicht dies. So können Hunderte Varianten gleichzeitig analysiert werden – auch solche, die in lebenden Zellen tödlich wären.“
Drei Jahrzehnte Forschung in einem einzigen Experiment
Mit einem automatisierten Hochdurchsatzverfahren untersuchte das Team rund 300 verschiedene SecY-Varianten parallel, darunter mehr als 200, die noch nie zuvor charakterisiert worden waren. In einem einzigen Versuchsansatz konnte die Zahl der charakterisierten Sec-Varianten nahezu vervierfacht werden. Darunter befanden sich Dutzende Varianten, die an fast 40 verschiedenen Positionen des Kanals verteilt sind und deren Transportaktivität um bis zu das Achtfache gesteigert war. Außerdem identifizierten die Forschenden erstmals eine Variante, die die Einbauaktivität des Kanals in die Membran messbar, wenn auch moderat, verbesserte. Die Ergebnisse bestätigen mit dem Großteil früherer Befunde und klärten langjährige Widersprüche, die auf inkonsistenten, überwiegend qualitativen Methoden zurückzuführen waren.
Proteinexport auf Hochtouren
Um das Potenzial von Prosecco für praktische Anwendungen zu demonstrieren, wandten die Forschenden ihre Erkenntnisse auf eine konkrete biotechnologische Fragestellung an: die Produktion eines therapeutisch relevanten Nanobody-Proteins. Nanobodies sind kleine Antikörperfragmente, die sowohl in der Forschung als auch in der Medizin eingesetzt werden. Durch systematisches Testen verschiedener Signalpeptide – kurze Aminosäureketten, die Proteine zur Exportmaschinerie leiten – und die Kombination des wirksamsten Signalpeptids mit einer besonders aktiven SecY-Variante konnte das Team den Export des Nanobodies im Vergleich zum Standardverfahren deutlich steigern. Damit lieferte die Studie einen direkten Beleg dafür, dass sich die mit Prosecco gewonnenen Erkenntnisse in praktische Verbesserungen bei der Herstellung wertvoller Proteine übertragen lassen.
„Proteine wie das Sec-Translokon, die im Zentrum zellulärer Prozesse stehen, sind für die Forschung von großer Bedeutung. Gleichzeitig sind sie in lebenden Zellen schwer zugänglich“, fasst Tobias Erb, Direktor am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, die Bedeutung der Studie zusammen. „Die Synthetische Biologie mit zellfreien Systemen kann hier die Forschung revolutionieren. Durch die Isolierung und Untersuchung dieser molekularen Maschine unter kontrollierten Bedingungen konnten wir offene Fragen aus rund 30 Jahren Sec-Forschung klären und ein praktisches Werkzeug entwickeln, um Membranproteine gezielt für Anwendungen in der Synthetischen Biologie weiterzuentwickeln.“
Besonders interessant ist dies für die Entwicklung synthetischer Zellen, also künstlicher Zellsysteme, die schrittweise aus einzelnen biologischen Bausteinen aufgebaut werden. In diesem Zusammenhang wird die Plattform auch im Rahmen des neu finanzierten europäischen Postdoc-Netzwerks SynCell-nExUs weiter erforscht, das im Herbst 2026 starten soll.
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie
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 2, Vol 12, Issue 36 (2026), DOI: 10.1126/sciadv.aej0987
