Wie entstehen unterschiedliche Funktionen aus verwandten Proteinen? Dieser Frage ist ein Forschungsteam unter Beteiligung von DESY und dem Centre for Structural Systems Biology (CSSB) nachgegangen. Die Forschenden um Holger Sondermann, Leiter der Gruppe Strukturelle Mikrobiologie bei DESY und Professor an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, rekonstruierten einen gemeinsamen Vorfahren zweier bakterieller Enzyme und stellten das heute nicht mehr existierende Protein im Labor her. Die Ergebnisse, die jetzt in Science Advances veröffentlicht wurden, zeigen, wie sich unterschiedliche Funktionen von Proteinen im Laufe der Evolution entwickeln können.

Die beiden untersuchten Enzyme gehören zu den sogenannten Nukleasen. Das sind Proteine, die bestimmte Moleküle aus den Bausteinen der Erbinformation zerlegen. NrnC ist ein Enzym, das kleine Moleküle aus jeweils zwei miteinander verbundenen DNA- oder RNA-Bausteinen abbaut. Die diDNase erfüllt eine ähnliche Aufgabe, ist aber hauptsächlich auf Moleküle aus zwei DNA-Bausteinen spezialisiert. Die Forschenden wollten herausfinden, wie diese unterschiedlichen Ausprägungen im Laufe der Evolution entstanden ist.

Die neue Studie baut auf mehreren Jahren Forschung der Sondermann-Gruppe auf. Die Forschenden vergleichen Proteine aus verschiedenen Bakterien, um herauszufinden, welche Eigenschaften über die Zeit erhalten bleiben und welche sich verändern. Bei früheren Untersuchungen einer bestimmten Enzymfamilie stieß Sofia Mortensen, Wissenschaftlerin in der Sondermann-Gruppe, auf eine Gruppe von Proteinen, die eng mit bereits bekannten Enzymen verwandt ist, aber andere Moleküle verarbeitet.

Zunächst versuchte das Team, den Unterschied zwischen den beiden Enzymen durch gezielte Veränderungen an den Proteinen zu erklären. Doch die veränderten Proteine verloren ihre Stabilität oder zeigten nicht die erwartete Funktion. Die Forschenden mussten deshalb einen anderen Weg wählen: Statt nur die heute existierenden Proteine miteinander zu vergleichen, untersuchten sie deren evolutionäre Geschichte.

Mit Röntgenkristallografie lässt sich die dreidimensionale Struktur eines Proteins bestimmen. Für die Strukturuntersuchung nutzten die Forschenden die Beamline P11 an der Röntgenlichtquelle PETRA III bei DESY. So konnten sie untersuchen, wie der rekonstruierte Vorfahr aufgebaut ist und wie seine Struktur mit seiner Funktion zusammenhängt. Das Team untersuchte außerdem die biophysikalischen Eigenschaften der rekonstruierten Vorfahren mithilfe der Technologien, die an der Sample Preparation and Characterisation Facility des CSSB zur Verfügung stehen. Die Einrichtung wird durch das Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) betrieben.

Die Experimente zeigen, dass der rekonstruierte Vorfahr Eigenschaften zwischen den beiden heutigen Enzymen besaß. Im Laufe der Evolution entwickelten sich daraus zwei Linien mit unterschiedlichen Funktionen: Eine spezialisierte sich stärker auf DNA, während die andere ihre Fähigkeit aufweitete und sowohl DNA als auch RNA verarbeitet. Die Studie zeigt damit, dass neue Proteinfunktionen nicht zwangsläufig durch eine einzelne entscheidende Veränderung entstehen. Vielmehr kann die langfristige Veränderung eines Proteins während der Evolution eine wichtige Rolle spielen.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie sich über sehr lange Zeiträume aus einem gemeinsamen molekularen Werkzeug Proteine mit unterschiedlichen Aufgaben entwickeln“, sagt Sofia Mortensen. „Unsere Studie macht einen Teil dieser Entwicklung experimentell zugänglich.“

Das konkrete Projekt wurde von Sofia Mortensen wissenschaftlich vorangetrieben: Sie charakterisierte die beiden Enzymfamilien und untersuchte ihre unterschiedlichen Funktionen sowie Strukturen. Für die Berechnung der rekonstruierten Vorfahrensequenz arbeitete das Team mit Forschenden des National Center for Biotechnology Information (NCBI) an den US-amerikanischen National Institutes of Health (NIH) zusammen.

Für die Forschenden ist die Studie vor allem ein Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen. Die biologische Rolle der DNA-Dinukleotide – also kleiner Moleküle aus jeweils zwei miteinander verbundenen DNA-Bausteinen – ist bislang der Fachwelt noch weitestgehend unbekannt. Die Gruppe will deshalb untersuchen, welche Funktion diese Moleküle in verschiedenen Bakterien haben und wie ihre Konzentration in den Zellen reguliert wird. Dabei interessiert sie unter anderem, ob die untersuchten Enzyme eine Rolle bei der Abwehr von Bakterien gegen Viren spielen.

Sollte sich zeigen, dass die untersuchten Mechanismen für wichtige Prozesse in Bakterien relevant sind, könnten sie langfristig Ansatzpunkte für biomedizinische Forschung liefern. „Wir sind davon jedoch noch weit entfernt“, betont Sondermann. „Zunächst müssen wir verstehen, welche biologische Funktion diese Moleküle tatsächlich haben.“

Originalpublikation

Sofia Mortensen, Andrew A. Burnim, Keith Dufault-Thompson, Alexandra E. Lipka, Xiaofang Jiang und Holger Sondermann: Ancestral proteins trace the emergence of substrate specificity and oligomerization within bacterial DEDDy dinucleases. Science Advances, 2026.

• DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aef1581