Molekulare Verfolgung auf der Überholspur

Mikroorganismen und ihre Zellbestandteile beobachten zu können ist wichtig, um grundlegende Abläufe in den Zellen zu verstehen – und so möglicherweise neue therapeutische Ansätze entwickeln zu können. Mikrobiologen und Biophysiker der Uni Bonn haben nun eine Methode entwickelt, die das Hochdurchsatzverfahren von Zellbeobachtungen um das Fünffache beschleunigt und dadurch Einblicke in bisher unbekannte Zellabläufe ermöglicht.

Kommt unsere Haut zu lange in Kontakt mit UV-Strahlen, zum Beispiel durch die Sonne, kann das zu Mutationen in unserer DNA führen – ein Ausgangspunkt für Krebserkrankungen. Der Körper verfügt über einen Mechanismus, um dem entgegenzuwirken. „Wird die DNA beschädigt, werden Moleküle aktiviert, die die DNA schnell reparieren – möglichst bevor sich die Zelle teilt und die Schäden weitergegeben werden“, erklärt Koen Martens von der Uni Bonn. Wie genau die Zellreparatur funktioniert, ist allerdings noch nicht vollständig verstanden. Das will Martens nun herausfinden.

Doch bisherige Methoden reichen nicht aus, um einzelne Moleküle genau zu verfolgen. „Beim ‚single particle tracking‘ markieren wir das Molekül mit fluoreszierendem Licht, quasi einer Art Glühlampe“, erklärt Martens. „Mithilfe eines hochauflösenden Mikroskops werden dann hundert Fotos pro Sekunde gemacht. Durch die ‚Glühbirne‘ leuchtet das Molekül in der dunklen Umgebung der Zelle, so dass wir es beobachten und seine Bewegung über die Zeit verfolgen können. Damit können wir ihre Diffusion und Interaktionen mit anderen Zellbestandteilen messen.“

Über die Abstände der Moleküle zueinander sowie die Abstände eines Moleküls innerhalb von einem Foto zum nächsten, können die Forscher ablesen, ob die Teilchen sich frei in der Zelle bewegen oder mit anderen Molekülen interagieren. Bezogen auf die DNA-Reparatur ließe sich daraus ablesen, wann die Enzyme reparieren – nämlich, wenn sie mit der DNA interagieren – und wann sie „arbeitslos“ sind, also frei in der Zelle diffundieren.

Die Methode hat jedoch einen Haken. „Es ist schwierig, mehrere Moleküle gleichzeitig zu verfolgen. Wenn sich ihre Wege kreuzen oder sie zu nahe beieinander sind, wird aus zwei Glühbirnen quasi eine einzelne. Dann ist es unmöglich ihre Bewegungen zu bestimmen“, so Martens. Bisher mussten die Mikrobiologen also ein Molekül nach dem anderen untersuchen. Eine zeitaufwändiger Prozess – zu lang, um die DNA-Reparatur-Moleküle im Einsatz zu beobachten: Bisher dauerte das ‚single particle tracking‘ länger als der Prozess der Reparatur selbst.

Um das Problem zu lösen, hat Martens eine Software erstellt, die das Hochdurchsatz-Verfahren beschleunigt. TARDIS, kurz für: Temporal analysis of relative distances, führt eine Alles-zu-Alles-Abstandsanalyse durch zwischen Lokalisierungen – also den Punkten, wo sich das Molekül in den einzelnen Aufnahmen befindet – mit zunehmenden zeitlichen Verschiebungen. Statt sich auf einzelne Punkte wie bisher zu konzentrieren, schaut es sich die gesamte Bewegungssequenz in der Zelle an. Auf diese Weise werden alle Moleküle gleichzeitig untersucht. „Mithilfe von TARDIS sind Messungen ohne Informationsverlust mindestens um das Fünffache kürzer“, freut sich Martens.

Damit kann er sich nun dem verbliebenen Teil seines Forschungsprojekt zuwenden: Mithilfe von TARDIS untersucht Martens die Abläufe um die DNA-Reparatur genauer. „Mich interessiert insbesondere zu untersuchen, wie leicht oder schwer bestimmte Schäden zu reparieren sind und wie schwer beschädigt die DNA wird durch eine bestimmte UV-Strahlung oder Chemikalien.“

U. Bonn / RK