Unzählige molekulare Schalter steuern die Stoffwechselvorgänge in biologischen Zellen, indem sie unterschiedlichste Reize weiterleiten. Verblüffenderweise besitzen die Schalter eine sehr einheitliche Molekülstruktur, obwohl jeder einzelne von ihnen nur auf ein einziges chemisches Signal reagiert. Eine Erklärung dafür haben Wissenschaftler um Dr. Karim Fahmy und Sineej Madathil am Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) geliefert. Sie entdeckten einen fundamentalen Schaltmechanismus, der im Laufe der Evolution trotz der hohen Spezialisierung in allen Schaltern erhalten geblieben ist. Der gefundene Schaltvorgang findet in einem Molekülteil statt, der an das Zellinnere grenzt, während die Erkennung chemischer Reize an der Außenseite des Rezeptors erfolgt. Die Forscher fanden heraus, dass der "Protonen-Schalter" wie in einem arbeitsteiligen Aufbau als eigenständiges Modul funktioniert. Die Funktionsweise wird in der Abbildung verdeutlicht: Gezeigt ist die Struktur des Protonen-Schalters des Sehfarbstoffes Rhodopsin. Dessen schraubenförmige Grundstruktur liegt auch in dem synthetisch erzeugten Proteinsegment vor, das sich in eine Membran einbetten lässt (orange, mit einzelnen Lipidmolekülen). Am oberen Ende des Segments befindet sich eine negativ geladene Atomgruppe (rot; Abb. links), die durch Aufnahme eines Protons (H+) neutralisiert wird. Dies ermöglicht das Eintauchen der gesamten chemischen Gruppe (grün) in die elektrisch neutrale Membran (Abb. rechts). Diese Strukturänderung stellt einen autonomen Protonen-Schalter dar und trägt im Gesamtmolekül entscheidend zur Rezeptoraktivierung bei. Im Laufe der Evolution musste dieser Schaltmechanismus also nicht für jeden neuen Botenstoff neu erfunden werden. Stattdessen blieb das erfolgreiche Modul im siebenteiligen Gesamtaufbau der Rezeptormoleküle erhalten, während sich die chemischen Erkennungsregionen an die verschiedensten Signale angepasst haben. Die äußeren chemischen Signale haben lediglich die Aufgabe, die Stelle des Rezeptors freizulegen, mit der die Protonen reagieren können. Neben der grundlegenden medizinischen Bedeutung der Ergebnisse sehen die Forscher in dem von ihnen künstlich hergestellten, einfachen Protonen-Schalter ein großes Potential für Anwendungen im Bereich der Sensorik. So könnten Minilabore in Form künstlicher Zellen hergestellt werden, die über solche Schaltmechanismen mit ihrer Außenwelt kommunizieren - ein Vorgang, der u.a. in der Umweltanalytik zum Nachweis und der Entfernung von toxischen Substanzen eingesetzt werden könnte.