Cellen hebben openingen in het celmembraan nodig om uitwisselingen te kunnen maken met hun omgeving. Deze openingen zijn afsluitbare portalen waarin de signalen in de vorm van ionen worden getransporteerd. Privédocent Dr. Indra Schröder van de afdeling Membraanbiofysica aan de TU Darmstadt, die wordt geleid door professor Gerhard Thiel, is geïnteresseerd in kaliumkanalen. De natuurkundige en hoofd van de junior onderzoeksgroep heeft haar eigen kijk op deze kleine moleculaire machines. Ze is niet zozeer geïnteresseerd in de biologische signalen die via de kanalen worden uitgewisseld, maar in het biofysische sluitingsmechanisme. Schröder wil weten hoe de moleculaire bout eruitziet en werkt.

Daartoe, de fysicus werkt met zeer basale kaliumkanalen om de analyse niet onnodig ingewikkeld te maken. Ze gebruikt twee systemen met een vergelijkbare structuur maar met verschillende openingskansen. Een kanaal is bijna altijd gesloten, de andere bijna altijd open. Beide kanalen zijn afkomstig van algenvirussen, maar lijken sterk op de kaliumkanalen van hogere organismen. Schröder werkt in een celvrij systeem, en past de kaliumkanalen in kunstmatige oppervlakken. "We concentreren ons uitsluitend en uitsluitend op het sluitingsmechanisme, en meng alle andere functies van de kaliumkanalen, " zegt Schröder. "Dit is legitiem, omdat de kaliumkanalen allemaal op elkaar lijken. We werken in principe aan een prototype, wat je een modelkaliumkanaal zou kunnen noemen."

Aminozuurserine op een kritiek punt

Schröder en haar promovendus Oliver Rauh hebben beide kaliumkanalen gemuteerd en afzonderlijke delen ervan als pionnen heen en weer geduwd. Hierdoor konden ze vaststellen welke aminozuren verantwoordelijk zijn voor de lage openingskans, en die voor de hoge. Het kaliumkanaal met de lage openingskans bezit het aminozuur serine op een kritiek punt. Dit aminozuur interageert met een afgelegen aminozuur, waardoor de kanaalporie wordt gedwongen te buigen. Deze curve vouwt een ander aminozuur in de transportroute die de tunnel sluit.

Met het kaliumkanaal met de hoge openingskans, het aminozuur serine werd vervangen door het aminozuur glycine. Glycine dwingt de kanaalporie niet om te buigen, wat betekent dat de tunnel ook niet sluit. "Dus het sluitingsmechanisme van deze twee virale kaliumkanalen bestaat slechts uit twee aminozuren, " legt Schröder uit." Eén aminozuur sluit het kanaal, de ander regelt het proces. Moleculair-dynamische simulaties door onze samenwerkingspartner Stefan Kast van de TU Dortmund hebben dit bevestigd. We hadden een veel gecompliceerder sluitingsmechanisme verwacht."

Het hoofd van de junior onderzoeksgroep gaat ervan uit dat sommige menselijke kaliumkanalen dezelfde bout hebben als de twee virale kaliumkanalen omdat ze beide de twee essentiële aminozuren bezitten. Het werk van Schröder is ook relevant voor de synthetische biologie, omdat de kaliumkanalen en hun basissluitingsmechanisme kunnen worden gebruikt bij de constructie van kunstmatige nanosensoren. Het noMagic-project, waarbij Schröder betrokken is, werd gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad (ERC), en manipuleert levende cellen met kunstmatig vervaardigde kanalen.