Celler behöver öppningar i cellmembranet för att kunna utbyta med sin omgivning. Dessa öppningar är stängbara portaler där signalerna transporteras i form av joner. Privatlektor Dr Indra Schröder från Institutionen för membranbiofysik vid TU Darmstadt, som drivs av professor Gerhard Thiel, är intresserad av kaliumkanaler. Fysikern och chefen för den yngre forskargruppen har en helt egen syn på dessa små molekylära maskiner. Hon är inte så mycket intresserad av de biologiska signalerna som utbyts via kanalerna, men i den biofysiska stängningsmekanismen. Schröder vill veta hur molekylbulten ser ut och hur den fungerar.

För detta ändamål, fysikern arbetar med mycket grundläggande kaliumkanaler för att inte göra analysen onödigt komplicerad. Hon använder två system med liknande struktur men olika öppningssannolikheter. En kanal är nästan alltid stängd, den andra är nästan alltid öppen. Båda kanalerna härstammar från algvirus, men liknar starkt högre organismers kaliumkanaler. Schröder arbetar i ett cellfritt system, och passar in kaliumkanalerna i konstgjorda ytor. "Vi koncentrerar oss enbart och uteslutande på stängningsmekanismen, och blanda ut alla andra funktioner i kaliumkanalerna, " säger Schröder. "Detta är legitimt, eftersom kaliumkanalerna alla liknar varandra. Vi arbetar i princip på en prototyp, vad man kan kalla en modell kaliumkanal. "

Aminosyraserin vid en kritisk punkt

Schröder och hennes doktorand Oliver Rauh har muterat båda kaliumkanalerna och skjutit enskilda delar av dem fram och tillbaka som bönder. Detta gjorde det möjligt för dem att fastställa vilka aminosyror som är ansvariga för den låga öppningssannolikheten, och som för det höga. Kaliumkanalen med låg öppningssannolikhet har aminosyran serin vid en kritisk punkt. Denna aminosyra interagerar med en avlägsen aminosyra, vilket tvingar kanalporen att böjas. Denna kurva viker en annan aminosyra in i transportvägen som stänger tunneln.

Med kaliumkanalen med hög öppningssannolikhet, aminosyran serin ersattes av aminosyran glycin. Glycin tvingar inte kanalporen att böjas, vilket innebär att tunneln inte heller stängs. "Så stängningsmekanismen för dessa två virala kaliumkanaler består bara av två aminosyror, " förklarar Schröder." En aminosyra stänger kanalen, den andra styr processen. Molekylär-dynamiska simuleringar av vår samarbetspartner Stefan Kast vid TU Dortmund har bekräftat detta. Vi hade förväntat oss en mycket mer komplicerad stängningsmekanism."

Chefen för den yngre forskargruppen antar att vissa mänskliga kaliumkanaler har samma bult som de två virala kaliumkanalerna eftersom de båda har de två kritiska aminosyrorna. Schröders arbete är också av relevans för syntetisk biologi eftersom kaliumkanalerna och deras grundläggande stängningsmekanism kan användas vid konstruktionen av konstgjorda nanosensorer. NoMagic-projektet, där Schröder är inblandad, finansierades av Europeiska forskningsrådet (ERC), och manipulerar levande celler med artificiellt tillverkade kanaler.