Ed Schmidt, Professor in der Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie an den Colleges of Agriculture and Letters and Science der MSU, arbeitete mit Forschungsteams aus Ungarn, Schweden und Japan an dem Projekt, das Anfang dieses Monats in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde. Der Mechanismus, sagte Schmidt, ist ein bisher unbekanntes Werkzeug, mit dem Zellen ihre Proteine vor irreversibler Schädigung durch zelluläre Prozesse, sogenannte Redoxreaktionen, schützen können, die häufig und notwendig sind, aber im Übermaß umfangreiche Schäden verursachen können.“Redoxreaktionen sind jede Reaktion, bei der man Elektronen von einem Molekül zum anderen bewegt“, sagt Schmidt. „Fast alles, was in unseren Zellen vor sich geht, chemisch und energetisch, beinhaltet den Transfer von Elektronen. Aber es ist wichtig, dass diese im Gleichgewicht gehalten werden. Unsere Zellen investieren enorme Anstrengungen und Maschinen, um das richtige Redoxgleichgewicht aufrechtzuerhalten.“

Die Entdeckung von Schmidts Team konzentriert sich auf Schwefelatome als Teil von Proteinmolekülen in Zellen. Wenn Zellen externen Stressoren ausgesetzt sind – von Dingen, die Menschen essen, Chemikalien, denen die Zellen ausgesetzt sind, oder einer beliebigen Anzahl anderer Quellen -, kann oxidativer Stress Teile der Proteine schädigen. Es wurde bisher angenommen, dass Zellen keine Möglichkeit hatten, diese Oxidation umzukehren, sondern sich darauf stützten, neue Proteine herzustellen, um die beschädigten zu ersetzen. Allerdings, so Schmidt, scheint es, dass unsere Zellen manchmal in der Lage sind, sich zu schützen, indem sie ein zusätzliches Schwefelatom zu vorhandenen Schwefeln in bestimmten Proteinmolekülen hinzufügen. Wenn die Zelle dann Stress ausgesetzt ist, wird nur dieser zusätzliche Schwefel beschädigt und kann dann von der Zelle abgespalten werden, wobei ein ganzes und unbeschädigtes Protein zurückbleibt.“Wir vermuten, dass es für die Zelle zu spät ist, sobald die Exposition beginnt“, sagte Schmidt. „Wir denken, dass Zellen eine Teilmenge von Proteinen bereits in diesem Zustand mit zusätzlichen Schwefelatomen haben, was sie wahrscheinlich inaktiv macht, aber irgendwie in Reserve ist. Diese Proteine in der Reserve werden beschädigt, können aber repariert werden und ermöglichen es der Zelle, sich zu erholen, um neue Proteine herzustellen.“Extreme oxidative Schäden können DNA-Mutationen verursachen“, sagte Schmidt. Wenn sich diese Mutationen ansammeln, gibt es Hinweise darauf, dass ein erhöhtes Risiko für Krebs, entzündliche Erkrankungen und Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und Diabetes besteht. Diese neue Entdeckung könnte dazu beitragen, zukünftige Fortschritte in der Medizin zu erzielen, indem sie dazu beiträgt, diese Gesundheitsprobleme vorherzusagen oder sogar zu mildern, wenn menschliche Zellen diesen Mechanismus effizienter nutzen können, sagte Schmidt und fügte hinzu, dass es sogar potenzielle Anwendungen für medizinische Verfahren wie Organtransplantationen gibt.“Während der Transplantation durchläuft das Organ eine Phase, in der es keinen Sauerstoff oder Blutfluss hat, aber sobald es transplantiert ist, bekommt es einen Ansturm von sauerstoffhaltigem Blut, der einen Ausbruch von oxidativem Stress verursacht“, sagte Schmidt. „Jetzt, da wir anfangen, diese Mechanismen zu verstehen, können wir vielleicht etwas Ausgefeilteres tun, damit sich die Zellen in einem transplantierten Organ vorbereiten und schützen können.“Schmidts Forschungsteam, das auch Teil der Montana Agricultural Experiment Station ist, arbeitete mit vier anderen Teams zusammen, die Expertise in biologischer Schwefelchemie, Redoxbiologie, Zellbiologie und Zellsignalisierung aus der ganzen Welt mitbrachten. Die nächsten Schritte in dieser Forschung, sagte Schmidt, umfassen die Untersuchung genau, wie Zellen es schaffen, diese zusätzlichen Schwefelmoleküle hinzuzufügen und wie dieser Prozess reguliert wird.

„Es ist möglich, dass wir Fortschritte machen, wenn wir dieses System besser verstehen“, sagte Schmidt. „Wenn wir einige dieser Mechanismen verstehen, können wir neue Ideen entwickeln.“