Forschenden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist es erstmals gelungen, direkt zu beobachten, wie ein sinkender pH-Wert die schützende Wasserhülle von Proteinen verändert. Mithilfe hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie konnten sie dabei eine seit 50 Jahren offene Frage der Biochemie beantworten – ein Ergebnis, das auch für die Proteinstabilität industriell genutzter Enzyme und biotechnologischer Trägersysteme relevant ist.
Proteine steuern sämtliche lebenswichtigen Prozesse in Organismen – von Wachstum bis Stoffwechsel. Ihre Funktion hängt maßgeblich von ihrer räumlichen Struktur ab, die wiederum durch eine Hülle aus Wassermolekülen mitbestimmt wird. Bereits 1974 hatten die Biochemiker Irwin Kuntz und Walter Kauzmann theoretisch vorhergesagt, dass zunehmende Ansäuerung diese Wasserhülle verändert. Bis zur aktuellen Studie fehlte jedoch der direkte experimentelle Nachweis.
Kryo-Elektronenmikroskopie macht einzelne Wassermoleküle sichtbar
Die Kryo-Elektronenmikroskopie bildet das methodische Herzstück der Untersuchung. Bei diesem Verfahren werden Proteine schockgefroren und mit einem Elektronenstrahl beschossen, woraus extrem detaillierte Aufnahmen entstehen, die zu dreidimensionalen Modellen zusammengesetzt werden. Strukturen auf der Ebene weniger Atome werden so sichtbar. Das Team um Prof. Dr. Panagiotis Kastritis untersuchte das Protein Apoferritin – einen Eisenspeicher in Zellen – bei sieben verschiedenen pH-Werten zwischen 9,0 (leicht basisch) und 3,5 (sauer). Dabei kartierten die Forschenden Tausende von Wassermolekülen einzeln und verfolgten deren Verhalten bei steigendem Säuregehalt. Computersimulationen ergänzten die Experimente und lieferten Erklärungen für das beobachtete Verhalten.
Die Auswertung brachte klare Regeln zutage: Bestimmte Aminosäuren binden Wassermoleküle, andere geben sie bei Ansäuerung ab. „Mit unseren Daten konnten wir die Bewegung jedes einzelnen Wassermoleküls verfolgen und beobachten, wie sie sich mit dem pH-Wert bewegen. Dabei hat uns überrascht, dass es offenbar klare Regeln gibt: Bestimmte Aminosäuren halten Wasser, andere lassen es los. Das war so nicht erwartet“, sagt Dr. Ioannis Skalidis, der an der MLU promoviert wurde und mittlerweile an der Universität Utrecht forscht. Dr. Farzad Hamdi von der MLU ergänzt: „Wir sind die erste Gruppe, der dieser Nachweis gelungen ist.“
Quantifizierte Ergebnisse zur Proteinstabilität bei pH-Veränderung
Die Ergebnisse sind bemerkenswert präzise: Pro sinkender pH-Einheit verliert ein Protein rund 100 Wassermoleküle. Auf Ebene einzelner Aminosäuren zeigt sich, dass Glutamat und Aspartat bei Ansäuerung ihre Wassermoleküle als Erste abgeben. Ein stabiler innerer Kern – rund 40 Prozent der gesamten Wassermoleküle – bleibt dabei unabhängig vom pH-Wert erhalten.
Ein weiterer Befund betrifft die gebundenen Eisenionen des Apoferritins: Mit sinkendem pH-Wert verschieben sich diese schrittweise aus ihren Bindungsstellen. Das liefert Hinweise auf einen strukturellen Mechanismus, durch den ein steigender Säuregehalt die Freisetzung von Metallionen in Proteinen auslösen kann – ein Prozess, der bei der zellulären Eisenregulation eine Rolle spielt.
Konsequenzen für Enzymdesign und biotechnologische Anwendungen
Ob die identifizierten Regeln auf andere Proteine übertragbar sind, müssen weitere Studien zeigen. „Wir gehen aber davon aus, dass dieser Prozess für andere Proteine zumindest ähnlich ist. Dieses Wissen kann helfen, Proteine gezielt stabiler oder pH-toleranter zu gestalten“, sagt Kastritis. Konkret könnte das die Entwicklung industriell genutzter Enzyme sowie von Arzneimittelträgersystemen auf Proteinbasis voranbringen.
Die Studie wurde von der Europäischen Union, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt sowie dem Land Sachsen-Anhalt gefördert.
Originalpublikation: Hamdi F. et al. Direct evidence of acid-driven protein desolvation. Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2525949123
