Thermophoretische Falle für Moleküle

Mehr als 24 Millionen Menschen weltweit leiden unter neuro­degenerativen Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Huntington. Die molekularen Ursachen dieser Krankheiten sind bisher noch wenig erforscht worden. Ein Team aus Wissen­schaftlern der Universität Leipzig und der Technischen Universität Dresden sowie des Kurt-Schwabe-Instituts Meinsberg macht sich nun mit neuen Ansätzen auf den Weg, diesen molekularen Mechanismen auf den Grund zu gehen und hat dabei eine selbst entwickelte Technik angewandt: eine thermo­phoretische Molekül-Falle.

Forscher vermuten als Ursache für diese neuro­degenerativen Krankheiten die Aggregation kleiner Peptide. Peptide erfüllen im Körper normalerweise mit ihrer speziellen drei­dimensionalen Struktur verschiedene Aufgaben: Sie wirken beispielsweise als Hormone, sind am Stoff­transport durch die Zellmembran beteiligt oder wirken antibiotisch oder antiviral. Finden Peptide sich jedoch zu kleinen Aggregaten oder auch größeren unlöslichen Strukturen zusammen, den Plaques oder Amyloiden, so geht ihre ursprüng­liche Funktion verloren, und Peptid­aggregate können sogar toxisch wirken.

Der Weg, wie aus einzelnen Peptiden kleinere Aggregate und schlussendlich Fibrillen werden, ist nicht klar und experimentell schwer beobachtbar. Selbst das Wachstum der Fibrillen ist nicht hinreichend geklärt, da nahezu alle bisherigen Unter­suchungen nur für große Molekülmengen durchgeführt wurden, die aus einem Gemisch von Peptiden, Aggregaten und Fibrillen unterschiedlicher Größe bestehen. Das Forscherteam hat nun ;neue Erklärungs­ansätze gefunden: „Wenn man Gemische aus Einzel­molekülen, Aggregaten und Fibrillen auf ihre Eigenschaften untersucht, erhält man ein Bild aus vielen sich überlagernden Effekten. Ein wichtiger Schritt hin zu einem detaillierten Verständnis auf molekularer Ebene ist es, das Wachstum einzelner Amlyoid­fibrillen zu studieren“, erklärt Frank Cichos, Leiter des Projektes innerhalb des Sonder­forschungsbereichs TRR 102 „Polymere unter Zwangs­bedingungen“ ;an der Universität Leipzig.

Mit Hilfe ihrer neu entwickelten Technik sind die Forscher nun erstmals in der Lage, einzelne Fibrillen in physio­logischen Lösungen über mehrere Stunden unter dem Mikroskop einzufangen und das Wachstum der Fibrille, ihr Auseinander­brechen und das weitere Wachstum der Bruchstücke zu beobachten. „Die Entwicklung einer Technik für diesen Zweck war eine knifflige Aufgabe. Moleküle in Flüssigkeiten bewegen sich stetig aufgrund der Temperatur der Flüssigkeit. Diese Brownsche Bewegung treibt sie schnell aus unserem Beobachtungs­feld heraus, und wir können einzelne Fibrillen nur für sehr kurze Zeit beobachten“, sagt Martin Fränzl, Doktorand im Projekt.

Die Forscher machen sich nun die Ursache der Brownschen Bewegung, die thermische Energie, zunutze, um die Fibrillen in einem kleinen Volumen einzusperren. „Wir heizen mit einem Laser einen winzigen Metallring auf, in dessen Inneren die Aggregate gefangen werden. Die entstehenden Temperatur­unterschiede in der Lösung mit den Peptiden treiben diese in jede beliebige Richtung, die wir vorgeben“, erläutert Tobias Thalheim, der mit Martin Fränzl an den thermischen Fallen arbeitet. Allein das Einfangen der Amlyoide ist jedoch nicht genug. Durch die temperatur­kontrollierte Falle können die Wissenschaftler auch die Bewegung der Fibrillen verfolgen und mathematisch analysieren. Mit Hilfe der Rotations­bewegung der Fibrillen können sie die Größen­veränderung der Fibrille bis auf millionstel Zentimeter genau beobachten und damit ihre Wachstums­geschwindigkeit exakt bestimmen. 

„Wir können nun vor allem Prozesse sehen, die bisher nur vermutet wurden, für die es jedoch keine direkten experi­mentellen Nachweise gab“, erläutert Cichos. Für das Wachstum der Fibrillen soll deren Zerbrechen eine wichtige Rolle spielen, da damit die Anzahl der freien Enden, an denen das Wachstum fortgesetzt wird, verdoppelt wird. Die Experimente der Forscher zeigen, dass Fibrillen zerbrechen und so neue Keime bilden, mit deren Hilfe die Peptide schneller aggregieren können. „Es ist nun eine Vielzahl von neuen Experimenten auf diesem Gebiet möglich, und wir können Wege beschreiten, die vorher nicht möglich waren“, sagt Cichos. Michael Mertig von der Technischen Universität Dresden, Direktor des Kurt-Schwabe-Instituts für Mess- und Sensor­technik e.V. Meinsberg, ergänzt: „Gleichzeitig zeigt diese Arbeit, welches enorme Potenzial in der Entwicklung minia­turisierter photonischer Analyse­systeme für die medizinische Diagnostik steckt.“

U. Leipzig / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Fränzl et al.: Thermophoretic trap for single amyloid fibril and protein aggregation studies, Nat. Meth., online 24. Juni 2019; DOI: 10.1038/s41592-019-0451-6
• Molekulare Nanophotonik (F. Cichos), Universität Leipzig
• Polymere unter Zwangsbedingungen, SFB TRR 102, Universität Halle-Wittenberg