Diese kleinen Bläschen bestehen aus dem gleichen Material wie die Zellmembran und umschließen jede Fracht, die in der Zelle unterwegs ist, wie eine Art Paket. Soll ein Stoff aus der Zelle hinausgeschleust werden, bewegt sich das Vesikel samt Ladung zur Zellmembran. Dort verschmilzt es mit ihr so, dass ihr Inhalt auf der Außenseite der Zellhülle landet. Umgekehrt nimmt die Zelle neue Substanzen auf, indem sich einfach ein Teil der Zellmembran nach innen einschnürt und das außen angelagerte Material dabei einschließt. So weit, so bekannt. Eine große Frage aber blieb lange Zeit offen: Woher wissen die einzelnen Vesikel, wo sie ihre Fracht hinbringen sollen und wie koordiniert die Zelle ihre Bewegungen? Genau hier kommen die drei diesjährigen Nobelpreisträger ins Spiel. Denn jeder von ihnen entdeckte eines der Puzzleteile, die erklären, wie die Zelle ihren Vesikeltransport kontrolliert.
Hefen, Schlüsselproteine und der Kalzium-Timer
Der US-Forscher Randy W. Schekman suchte bei Hefen nach den Genen, die den Vesikel-Transport steuern. Gezielt züchtete er dafür verschiedene Hefestämme, bei denen jeweils eines oder mehrere Gene ausgeschaltet waren. Dabei entdeckte er 23 Gene, die für diese Maschinerie essenziell waren. Durch weitere Versuche gelang es ihm, den gesamten genetischen Signalweg zu entschlüsseln, der das komplexe Zusammenspiel der Transporter funktionieren lässt – oder aber nicht, wie bei einigen Krankheiten der Fall.
Sein Kollege James Rothman von der Stanford University entschlüsselte die Proteinstrukturen, die es den Vesikeln ermöglichen, mit der Zellmembran oder den Membranen von Zellorganellen zu verschmelzen und so ihre Fracht abzugeben oder aufzunehmen. Als Modell dafür nutzte er Zellen, die von einem bestimmten Virus befallen sind. Mit Hilfe spezieller Versuchsansätze gelang es ihm, den Transport eines viralen Proteins durch die Wirtszelle zu verfolgen und dabei die Proteine zu isolieren, die das Vesikel funktionsfähig machten. Es stellte sich heraus, dass auch dabei, wie häufig im Körper, das Schlüssel-Schloss-Modell greift: Das Vesikel kann nur dann mit einer Membran verschmelzen und ihre Fracht freisetzen, wenn dort die für seine Schlüsselproteine passenden Schlossproteine anwesend sind.
Der dritte Preisträger ist der deutsche Neurochemiker Thomas Südhof, der an der Universität Göttingen studierte und am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Forschung in Göttingen promovierte. In den 1980er Jahren ging er dann als Postdoc in die USA und lebt und arbeitet seither dort. Sein Hauptinteresse galt der Frage, wie Nervenzellen an den Synapsen im Gehirn miteinander kommunizieren. An diesen Kontaktstellen werden elektrische Nervensignale in chemische Botenstoffe umgewandelt, die über den Spalt zwischen den beiden Nervenzellen hinweg geschleust werden und in der Folgezelle dann wiederum einen Reiz auslösen. Auch dabei spielen Vesikel die entscheidende Rolle. Denn sie setzen Neurotransmitter frei, wenn dieses Nervenende ein entsprechendes elektrisches Signal erhält. Südhof fand durch Versuche heraus, dass ein Kalzium-Signal dafür sorgte, dass die Neurotransmitter-Vesikel genau zu der Zeit ihre Fracht freisetzen, wenn der entsprechende Nervenreiz kommt. Seine Entdeckung erklärt, wie der Vesikel-Transport zeitlich präzise gesteuert werden kann.
