Zellfreie Plattform „Prosecco“ revolutioniert Forschung am Sec-Translokon: Neue Perspektiven für Biotechnologie erschlossen!

Zellfreie Systeme ermöglichen neue Einblicke in das Sec-Translokon

Das Sec-Translokon stellt die zentrale molekulare Struktur für den Transport und die Integration nahezu aller Membranproteine dar, von Bakterien bis hin zu menschlichen Zellen. Aufgrund seiner essentiellen Funktion für das Zellüberleben war eine direkte Analyse oder gezielte Modifikation in lebenden Organismen bislang kaum realisierbar. Forschende am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie unter Leitung von Tobias Erb entwickelten mit „Prosecco“ eine zellfreie Plattform, die erstmals die Herstellung des Sec-Translokons in künstlichen Membranen ermöglicht. Diese Methode zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit und Skalierbarkeit aus und eröffnet neue Perspektiven für Biotechnologie und synthetische Biologie.

Kurzfassung

• Das Sec-Translokon dient als molekulares Tor für nahezu alle Membranproteine und ist evolutionär hoch konserviert.
• Mutationen am Sec-Translokon führen häufig zum Zelltod, was die Untersuchung in lebenden Zellen erschwert.
• Die zellfreie Plattform „Prosecco“ erlaubt die Herstellung und Echtzeit-Analyse von Sec-Translokonen in synthetischen Membranvesikeln außerhalb lebender Zellen.
• Mit dieser Methode wurden mehr Sec-Varianten charakterisiert als in den letzten 30 Jahren zusammen, darunter Varianten mit deutlich gesteigerter Aktivität.
• Die Plattform wurde genutzt, um den Export eines therapeutisch relevanten Nanobody-Proteins zu optimieren.

Funktion und Bedeutung des Sec-Translokons

Das Sec-Translokon ist ein unverzichtbarer Bestandteil des zellulären Proteintransports. Es ermöglicht den Export von Proteinen aus der Zelle sowie deren Einbau in Zellmembranen. Der zentrale Baustein SecY ist über Millionen von Jahren evolutionär konserviert, was die fundamentale Bedeutung dieser Struktur unterstreicht. Aufgrund der lebenswichtigen Funktion führen viele Mutationen an SecY zum Zelltod, was die experimentelle Untersuchung erschwert. Trotz großem Interesse wurden in den vergangenen drei Jahrzehnten nur wenige Sec-Varianten detailliert analysiert.

Herstellung des Sec-Translokons in synthetischen Zellen

Ein Team synthetischer Biologen am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie entwickelte das zellfreie System „Prosecco“ (Protein Secretion in Cell-free via a synthetic Operon). Dieses System ermöglicht die vollständige Synthese des Sec-Translokons aus genetischer Information im Reagenzglas. Die Kanalproteine integrieren sich dabei selbstständig in künstliche Membranvesikel. Ein lumineszenzbasiertes Signal erlaubt die Echtzeitüberwachung des korrekten Einbaus und der Transporteffizienz des Kanals.

Markus Meier, Erstautor der Studie, erläutert: „Viele interessante Mutationen können in lebenden Bakterien nicht untersucht werden. Die Herstellung des Kanals in synthetischen Vesikeln ermöglicht die parallele Analyse hunderter Varianten, einschließlich solcher, die in Zellen tödlich wären.“

Umfangreiche Analyse von SecY-Varianten

Mittels eines automatisierten Hochdurchsatzverfahrens wurden rund 300 SecY-Varianten gleichzeitig untersucht, darunter über 200 bislang unbekannte. Die Anzahl der charakterisierten Varianten wurde damit fast vervierfacht. Zahlreiche Mutationen verteilten sich auf fast 40 Positionen des Kanals und zeigten eine bis zu achtfach gesteigerte Transportaktivität. Zudem wurde erstmals eine Variante identifiziert, die den Einbau des Kanals in die Membran messbar verbesserte. Die Ergebnisse bestätigen frühere Befunde und klären langjährige Widersprüche, die auf unterschiedliche qualitative Methoden zurückzuführen waren.

Optimierung des Proteinexports

Zur Demonstration der praktischen Anwendbarkeit von Prosecco wurde die Produktion eines therapeutisch relevanten Nanobody-Proteins optimiert. Nanobodies sind kleine Antikörperfragmente, die in Forschung und Medizin Verwendung finden. Durch systematisches Testen verschiedener Signalpeptide, welche die Proteine zur Exportmaschinerie leiten, und die Kombination des effektivsten Signalpeptids mit einer besonders aktiven SecY-Variante konnte der Proteinexport signifikant gesteigert werden. Dies belegt die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf biotechnologische Anwendungen.

Bedeutung für Forschung und Entwicklung

Tobias Erb, Direktor am Max-Planck-Institut, fasst zusammen: „Proteine wie das Sec-Translokon sind zentral für zelluläre Prozesse, aber schwer in lebenden Zellen zugänglich. Zellfreie Systeme der synthetischen Biologie eröffnen hier neue Forschungsmöglichkeiten. Wir konnten offene Fragen aus 30 Jahren Sec-Forschung klären und ein Werkzeug entwickeln, um Membranproteine gezielt weiterzuentwickeln.“

Die Plattform ist insbesondere für die Entwicklung synthetischer Zellen relevant, also künstlicher Zellsysteme, die aus einzelnen biologischen Komponenten aufgebaut werden. Im Rahmen des neu geförderten europäischen Postdoc-Netzwerks SynCell-nExUs wird die Methode ab Herbst 2026 weiter erforscht.

Kontakt und weiterführende Informationen

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Tobias Erb
Direktor
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg
Telefon: +49 6421 178-700
E-Mail: toerb@mpi-marburg.mpg.de

Originalpublikation:
Meier, M.; Scholz, S. A.; von Bank, L. et al.
„Functional mapping and engineering of the Sec translocon unlocked by a cell-free system“
Science Advances, Vol. 12, Issue 36 (2026)
DOI: 10.1126/sciadv.aej0987

Weitere Informationen:
https://www.mpi-marburg.mpg.de/1616486/2026-09-a

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