11.04.2018

Verbotene Zustände auf hauchdünnem Gold

Neues Mikroskopieverfahren mit großem Potenzial für die Arznei­forschung.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, kurz GPCR, sind wichtige Ziel­moleküle für die Arznei­forschung. Wissen­schaftlern der Uni Würz­burg und der Uni­klinik Jena ist es jetzt durch moderne Mikro­skopie­ver­fahren gelungen, die Akti­vierung dieser Rezep­toren detail­lierter zu unter­suchen. Die Ver­stärkung des Förster-Reso­nanz­energie­transfers durch den Ein­satz speziell beschich­teter Deck­gläser war der Schlüssel dazu. Die neue Methode könnte sowohl Einzel­zell­messungen zu mehr Präzi­sion ver­helfen, als auch Hoch­durch­satz-Screenings opti­mieren, die für die Medika­menten­ent­wick­lung eine große Rolle spielen.

Abb.: Goldbeschichtung von wenigen Nano­metern kann ein sonst her­kömm­liches Deck­glas in Ver­stärker ver­wandeln. Die Beschich­tung ist bio­kompa­tibel und für die Kulti­vie­rung von adhä­renten Zellen ge­eignet. (Bild: U. Würz­burg)

Will man die Konformationsänderung oder Inter­aktion von Membran­rezep­toren in lebenden Zellen beob­achten, sind licht­mikro­sko­pische Ver­fahren oft die Methode der Wahl. Ein Phänomen, das das Aus­lesen dieser Ände­rungen und Inter­aktionen erlaubt, ist der Förster-Resonanz­energie­transfer. Der FRET erscheint immer dann, wenn sich zwei Fluoro­phore mit geeig­neten spektralen Eigen­schaften räum­lich sehr nah kommen, und in korrekter Orien­tie­rung zuein­ander stehen.

FRET dient als molekulares Lineal zwischen zwei Mole­külen oder mole­ku­laren Kompar­ti­menten. Die Methode ist leistungs­stark, hat aber oft durch die begrenzte Anzahl der emit­tierten Photonen ihre Grenzen. Es macht das Design und die Etab­lie­rung eines ent­spre­chenden FRET-Paares schwierig und fehler­anfällig. In bio­lo­gischen Unter­suchungen ist es besonders schwierig, die Nähe und Orien­tie­rung der Fluoro­phore zu opti­mieren, ohne die physio­lo­gischen Eigen­schaften des mole­ku­laren Komplexes zu stören.

Die Forscherteams haben jetzt die Hürden für die Nutzung der FRET-Methode gesenkt. Die Wissen­schaftler ver­wenden nano­beschich­tete Deck­gläser, die mit spezi­ellen Gold­beschich­tungen ver­sehen sind. Diese bio­kompa­tiblen Deck­gläser bewirken eine Ver­stärkung des Energie­über­trags, besonders für sub­optimal orien­tierte FRET-Paare. Das geschieht unter anderem dadurch, dass das FRET-Paar durch die Gold­beschich­tung sich selbst im Spiegel „sieht“. Dadurch stehen komple­men­täre Orien­tie­rungen für den Energie­über­trag zur Ver­fügung, die den Netto-FRET erhöhen. Der Spiegel­effekt erlaubt also die Abfrage sonst ver­botener Zustände für FRET. Physi­ka­lisch bezeichnet man diesen Effekt als Depolari­sa­tion, hervor­ge­rufen durch das komplexe Reflexions­ver­halten des FRET-Paares nahe der Gold­ober­fläche.

Lange Zeit war unter Physikern umstritten, ob es eine aus­reichend starke FRET-Erhöhung geben kann. Dabei wurde die Orien­tie­rung der Mole­küle nie aus­reichend beachtet. Neueste theore­tische und experi­men­telle Arbeiten an physi­ka­lischen Systemen gaben aber Anlass, die Möglich­keit der FRET-Ver­stärkung noch­mal auf­zu­greifen. „Diskus­sionen mit anderen Experten im Forschungs­feld stimmten uns zunächst nur vor­sichtig opti­mis­tisch. Unsere Simu­la­tionen für den FRET-Sensor des M1-Acetyl­cholin-Rezeptors zeigten aller­dings, dass eine FRET-Ver­stärkung sehr wahr­schein­lich ist. Die Experi­mente bestä­tigten schließ­lich in der Tat genau unsere Vor­her­sagen. So ent­stand unser forbiddenFRET“, sagt Katrin Heinze von der Uni Würz­burg. Und ihr Kollege Carsten Hoff­mann ergänzt: „ Diese Techno­logie ist zwar erst ganz am Anfang, aber sie hat großes Poten­zial, die Unter­suchungen von GPCR-Akti­vie­rungen und Inter­aktionen in Zukunft noch exakter zu gestalten.“

U. Würzburg / RK

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