Smarte hauchdünne Nanoblätter fischen Proteine

Eine Art Köder, um gezielt Proteinkomplexe aus Mischungen fischen zu können, hat ein inter­diszipli­näres Team aus Frankfurt und Jena entwickelt. Dank dieses Köders ist das gewünschte Protein wesentlich schneller für die weitere Unter­suchung im Elektronen­mikroskop verfügbar. Die neuartige Schicht aus hauchdünnem moleku­laren Kohlenstoff taufte das Forschungs­team „smartes Nanoblatt“. Mit Hilfe der Neu­entwick­lung lassen sich beispiels­weise Krank­heiten und deren Behandlung mit Medika­menten besser verstehen.

„Mit unserem Verfahren lassen sich inner­halb einer Woche neuartige Proteine aus Mischungen isolieren und charakte­ri­sieren“, erklärt Daniel Rhinow vom MPI für Biophysik. Bisher war allein die Isolierung der reinen Proteine oft Teil einer mehr­jährigen Doktor­arbeit. Zusammen mit Andreas Terfort von der Uni Frankfurt und Andrey Turchanin von der Uni Jena entstand vor einigen Jahren die Idee, die gewünschten Proteine direkt aus Mischungen heraus­zu­fischen, indem man ein Nanoblatt mit Erkennungs­stellen ausrüstet, an die das Zielprotein bindet. Nun ist es den Wissen­schaftlern gelungen, Proteine dank eines smarten Nanoblatts umgehend für eine Unter­suchung im Kryo-Elektronen­mikroskop zugänglich zu machen.

Die Kryo-Elektronen­mikro­skopie basiert auf dem Schock­gefrieren einer Probe bei Tempera­turen unter minus 150 Grad Celsius. Dabei behält das Protein seine Struktur, störende Fixierungs- oder Färbe­mittel sind nicht nötig, und die Elektronen können das vereiste Objekt leicht durch­strahlen. Es entstehen hoch­auf­gelöste drei­dimen­sionale Aufnahmen kleinster Strukturen – etwa von Viren und DNA – bis fast hinab zur Größen­ordnung eines Wasser­stoff­atoms.

Zur Vorbereitung werden die Proteine in einer äußerst dünnen Wasser­schicht auf einem winzigen Metall­netz schock­gefroren. Bislang mussten die Proben vor einer elektronen­mikro­skopischen Unter­suchung aufwändig und oft unter großen Verlusten gereinigt werden. Nur wenn lediglich eine Sorte von Proteinen in der Wasser­schicht gebunden ist, ist die elektronen­mikro­skopische Unter­suchung erfolg­reich.

Die Gruppe um Turchanin setzt nun Nanoblätter ein, die lediglich einen Nanometer dick sind und aus einer vernetzten molekularen selbst­organi­sie­renden Mono­schicht bestehen. Dieses Nanoblatt versieht Terforts Arbeits­gruppe mit einem Gelbildner als Grundlage für den zum Gefrieren notwendigen dünnen Wasserfilm. Daran binden die Forscher eine Erkennungs­gruppe, eine spezielle Nitrilo­essig­säure-Verbindung mit Nickel­ionen. Das Team um Rhinow nutzt die so präparierten smarten Nanoblätter, um gezielt Proteine aus einer Mischung zu fischen. Sie wurden vorab mit einer Histidin-Kette markiert, mit der sie an die Erkennungs­gruppe binden. Alle anderen störenden Teilchen lassen sich abspülen. Das Nanoblatt mit dem gebundenen Protein kann anschließend direkt mit dem Elektronen­mikroskop unter­sucht werden.

„Unsere smarten Nanoblätter sind besonders leistungs­fähig, weil die Hydrogel­schicht den notwendigen dünnen Wasserfilm stabili­siert und gleich­zeitig die unspezi­fische Bindung störender Teilchen unter­drückt,“ erklärt Julian Scherr von der Uni Frankfurt. „Damit kann die molekulare Strukturbiologie nun viel schneller Proteinstrukturen und -funktionen erforschen“. Mit daraus gewonnenen Erkennt­nissen lassen sich beispiels­weise Krank­heiten und deren Behandlung mit Medika­menten besser verstehen. Das Team hat sich die neuen Nanoblätter patentieren lassen und auch schon einen Hersteller gefunden, der dieses hilf­reiche Werkzeug auf den Markt bringen wird.

GUF / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Scherr et al.: Smart Molecular Nanosheets for Advanced Preparation of Biological Samples in Electron Cryo-Microscopy, ACS Nano, online 26. Juni 2020; DOI: 10.1021/acsnano.0c03052
• Abt. Strukturbiologie, Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main
• Arbeitskreis Terfort, Institut für anorganische und analytische Chemie, Fklt. für Biochemie, Chemie, Pharmazie, Goethe-Universität Frankfurt
• Angewandte physikalische Chemie und molekulare Nanotechnologie (A. Turchanin), Institut für physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena