Proteinevolution - von der Urzeit bis in die Gegenwart

Proteine stellen grundlegende Bausteine aller biologischen Systeme dar. Ohne sie wäre das Leben in der heutigen Form nicht möglich. Sie sind für sämtliche biochemischen Vorgänge einer Zelle verantwortlich und in den verschiedensten Formen ausgeprägt. Die Größe von Proteinen variiert bis zu eintausendfach, entsprechend dem Größenverhältnis von z.B. Spitzmaus zu Elefant. Auch die Formen von Proteinen sind vielfältig und schliessen lange Proteinfibern, Fässchen, Ringe, Spiralen, sowie eine Vielzahl von mehr oder weniger kompakten und kugelförmigen Faltungsformen ein (siehe nebenstehende Figur).

Proteine haben mannigfaltige Funktionen in Katalyse, Informationsfluß, Speicherung, Stofftransport, Feindabwehr, Bewegung und struktureller Festigkeit. Sie stellen auch eine Vielzahl von Gift- und Botenstoffen.

Ziel unserer Arbeit:

Unser Labor untersucht die Evolution der Proteine von der Urzeit bis in die Gegenwart.

Wir vermuten, daß die ersten Vorfahren der heutigen Proteine kurze, nicht-faltende Peptide waren, die einer primitiven RNA-basierenden Welt als Cofaktoren dienten. Aus dieser Gruppe vorzeitlicher Peptide entwickelten sich zunehmend komplexe Proteine durch Repetition, Fusion und Rekombination.

Rechnerisch versuchen wir dieses urzeitliche Set an Peptiden aus heute zu beobachtenden Proteinen zu rekonstruieren. Experimentell untersuchen wir, wie es diesen Peptiden möglich war, sich zu größeren Einheiten zusammenzufinden und in die Vorformen heutiger Proteine zu falten.
Des weiteren beschäftigen wir uns mit dem Stammbaum der Proteine. Da Proteine (bzw. deren Gene) nicht stärker an einen Organismus gebunden sind als dieser an sein Ökosystem, kommt es immer wieder vor, daß Proteine neue Organismen kolonisieren oder in ihrem Ursprungsorganismus durch andere Proteine verdrängt werden. Daher ist es nicht möglich, den Stammbaum der Lebewesen auf Proteine zu übertragen. Wir erkunden mit Mitteln der Bioinformatik, wie die Sequenz- und Strukuträhnlichkeiten der Proteine benützt werden können, um sie ihrer Abstammung nach einzuordnen.