Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016

Wissenschaftlern der Universität Bonn ist es gelungen, einem wichtigen Zellprotein bei der Arbeit zuzusehen. Sie nutzten dazu eine Methode, mit der man Strukturänderungen komplexer Moleküle messen kann. Das weiter entwickelte Verfahren erlaubt es, derartige Prozesse in der Zelle zu beobachten, also der natürlichen Umgebung. Die Forscher stellen zudem eine Art Werkzeugkasten zur Verfügung, der die Vermessung unterschiedlichster Moleküle erlaubt. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ erschienen.

Wenn wir eine vorweihnachtliche Walnuss öffnen wollen, benutzen wir dazu in der Regel einen Nussknacker. Der besteht im einfachsten Fall aus zwei Schenkeln, die sich um ein Gelenk gegeneinander bewegen und so Druck auf die Schale ausüben können. Ganz simpel, eigentlich – um zu begreifen, wie so ein Nussknacker funktioniert, genügt es uns, ihn ein einziges Mal in Aktion zu sehen.


Ein Cytochrom-Molekül wurde mit einem magnetischen Etikett versehen (farbige Struktur rechts oben). Zusammen mit einem Bestandteil des Cytochroms (rot) konnte dann der Abstand bestimmt werden.

© AG Schiemann/Uni Bonn

Die Funktionsweise von Zellmolekülen zu verstehen, ist dagegen deutlich schwieriger. Dabei ändern auch diese bei ihrer Arbeit oft ihre räumliche Struktur – ähnlich wie der Nussknacker, bei dem die Schenkel auf- oder zuklappen.

Diese Konformationsänderungen verraten Eingeweihten sehr viel über die Art und Weise, wie das Molekül seine Aufgabe erfüllt. Leider ist es jedoch sehr schwierig, derartige Bewegungen zu messen, weil sie auf einer sehr kleinen Längenskala erfolgen. Dies gilt umso mehr, wenn man die Strukturänderungen in der natürlichen Zellumgebung untersuchen will.

Der Arbeitsgruppe vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist dies nun gelungen. Die Wissenschaftler entwickelten dazu eine Methode weiter, die schon seit vielen Jahren zur Vermessung großer Moleküle eingesetzt wird. „Diese funktioniert normalerweise aber nur im Reagenzglas“, erklärt der Leiter der Studie Prof. Dr. Olav Schiemann. „Unser Verfahren lässt sich dagegen auch in Zellen einsetzen.“

Die Forscher nutzten für ihre Messungen die so genannte Elektronen Paramagnetische Resonanz-Spektroskopie. Dabei wird üblicherweise das zu vermessende Molekül an zwei verschiedenen Stellen mit einer magnetischen Markierung versehen. Durch Bestrahlung mit Mikrowellen wird dann einer dieser Minimagnete umgepolt. Dadurch ändert sich das Magnetfeld, das von ihm ausgeht, was wiederum den zweiten Magneten beeinflusst. Diese Beeinflussung ist umso größer, je näher beide Markierungen einander sind.

„Wir messen nun, wie stark der zweite Magnet auf die Umpolung des ersten reagiert“, erläutert Schiemann. „Daraus können wir auf die Entfernung der beiden Markierungen schließen.“ Wenn man nun – bildlich gesprochen – die beiden Schenkel des Nussknackers auf diese Weise markiert, lässt sich ihre Bewegung gegeneinander nachvollziehen.

Magnetische Maßbänder

Das Verfahren ist im Prinzip nicht neu. „Uns ist es jedoch gelungen, eine neue Art von Labeln herzustellen, mit der wir verschiedenste Biomoleküle ortsspezifisch markieren können", erklärt Schiemanns Mitarbeiter Jean Jacques Jassoy. Üblicherweise bestehen diese Label aus Radikalen – das sind chemische Verbindungen, die ein einzelnes freies Elektron tragen. Dieses fungiert bei der Messung als Magnet. Das Problem dabei: Einzelne Elektronen sind sehr reaktiv – sie versuchen, sich schnellstmöglich zu Elektronenpaaren zusammenzuschließen. Die Chemiker der Universität Bonn haben in ihrer Arbeit daher ein sehr stabiles Radikal verwandt – eine so genannte Tritylgruppe. Von diesem Trityl-Radikal stellten sie verschiedene Varianten her. Jedes dieser magnetischen Maßbänder eignet sich jeweils für eine bestimmte Molekülgruppe besonders gut.

In ihrer Studie untersuchten die Forscher damit ein Protein aus der Gruppe der P450-Cytochrome. Diese kommen in nahezu allen Lebewesen vor und erfüllen beispielsweise bei Oxidationsvorgängen in der Zelle wichtige Aufgaben. „Wir konnten mit unserer Methode den Abstand zwischen zwei Bereichen des Cytochroms auf Bruchteile eines Millionstel Millimeters genau vermessen“, betont Andreas Berndhäuser vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie.

Das Verfahren eignet sich einerseits dazu, um Konformationsänderungen von Biomolekülen in der Zelle sichtbar zu machen. Gleichzeitig erleichtert es auch generell die Aufklärung von Molekül-Strukturen. Schiemann: „Wir stellen Forschern damit einen neuen Werkzeugkasten zur Verfügung, der zur Beantwortung vieler biochemischer Fragen beitragen könnte.“

Publikation: J. Jacques Jassoy, Andreas Berndhäuser, Fraser Duthie, Sebastian P. Kühn, Gregor Hagelueken, Olav Schiemann: Versatile Trityl Spin Labels for Nanometer Distance Measurements on Biomolecules in vitro and within cells; Angewandte Chemie International Edition; DOI: 10.1002/anie.201609085

Kontakt:

Prof. Dr. Olav Schiemann
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Universität Bonn
Tel. 0228/732989
E-Mail: schiemann@pc.uni-bonn.de

Johannes Seiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neurobiologie - Die Chemie der Erinnerung
21.11.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Diabetes: Immunsystem kann Insulin regulieren
21.11.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie