Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Methode gibt ‚lebensnahe‘ Einblicke in zelluläre Prozesse

01.07.2016

Veröffentlichung in „Angewandte Chemie“

Proteine sind die Grundbausteine allen Lebens auf der Erde und spielen eine entscheidende Rolle bei fast allen Prozessen, die in den Zellen von Organismen stattfinden.


Erstmals wurden Signale eines ausgewählten Proteins direkt in einer aus Bakterienzellen gewonnener Lösung gemessen.

Institut für Physikalische Biologie


Neuartiges DNP-verstärktes Hochfeld-NMR-Spektrometer

Forschungszentrum Jülich

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Dr. Manuel Etzkorn am Institut für Physikalische Biologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat nun ein Verfahren entwickelt, mit denen die Strukturen und Interaktionen der Bio-Moleküle unter wesentlich natürlicheren Bedingungen als bisher sichtbar gemacht werden können. Damit ermöglicht die Methode neuartige Einblicke in biologische Systeme.

Die Forscher nutzten hierfür ein neuartiges NMR-Spektrometer des Biomolekularen NMR-Zentrums auf dem Campus des Forschungszentrums Jülich. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie (International Edition) veröffentlicht und durch Erscheinen auf der innenliegenden Titelseite hervorgehoben.

Winzige Proteinmoleküle verrichten so gut wie alle Aufgaben in unseren Zellen, können bei Fehlfunktionen aber auch schwere Krankheiten wie die Alzheimer-Demenz oder Krebs auslösen. Um die komplexen dreidimensionalen Strukturen dieser Moleküle in atomarem Detail aufzuklären, nutzen Forscher Verfahren wie die Nuklearmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR). Dabei werden die Atomkerne in einem starken Magnetfeld so angeregt, dass sie ein schwach messbares Signal aussenden, aus denen sich die Position jedes einzelnen Atoms im Molekül ableiten lässt.

Das Verfahren ist eigentlich prädestiniert dazu, das Verhalten von Proteinen unter natürlichen Bedingungen zu beobachten. Eine Limitierung führte bis jetzt allerdings dazu, dass NMR-Messungen so ganz „lebensnah“ dann doch nicht waren: Denn im Plasma lebender Zellen sind Proteine von zahllosen anderen Molekülen umgeben.

Im Spektrometer erzeugen diese jedoch ein Hintergrundrauschen, in dem die feinen Signale des Zielproteins untergehen. Bisher benötigen NMR-Forscher deshalb möglichst pure Proben aus künstlich gereinigtem und hochkonzentriertem Protein.

„Die Proteine werden in aller Regel aus ihrer natürlichen Umgebung herausgenommen, was nicht nur ein aufwendiger Prozess ist, sondern auch zu verfälschten Einblicken führen kann“, sagt Dr. Manuel Etzkorn. Der Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am Düsseldorfer Institut für Physikalische Biologie arbeitet mit seinem Team an neuen Möglichkeiten, um das Potenzial der NMR-Methode für die biologische Forschung noch besser nutzbar zu machen.

Gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Molekulare Physiologie in Dortmund sowie der Universitäten Amsterdam und Sofia haben die Forscher nun ein neues Verfahren entwickelt, das das Problem der verrauschten Signale elegant löst. Es gelang ihnen, das NMR-Signal eines Zielproteins in einer direkt aus einer Bakterienzellkultur gewonnenen Lösung um ein Vielfaches und dazu noch sehr selektiv zu verstärken.

Der Großteil der Forschung fand dabei am Biomolekularen NMR-Zentrum auf dem Gelände des Forschungszentrums Jülich statt, einem der führenden NMR-Zentren in Deutschland. Es wird gemeinsam durch das Düsseldorfer Institut für Physikalische Biologie und das Jülicher Institute of Complex Systems (ICS-6) betrieben.

Die Wissenschaftler konnten dort ein neuartiges DNP-verstärktes NMR-Spektrometer einsetzen, bei dem das Spektrometer mit einem Mikrowellengenerator verbunden ist. Dieser regt Elektronen von speziellen, von den Forschern zu diesem Zweck modifizierten Molekülen in der Probe an, die ausschließlich an das Zielprotein binden. Die Anregung der Elektronen überträgt sich dabei auf die Atomkerne des Proteins und führt zu einer enormen Verstärkung des Signals.

Damit lassen sich Daten selbst aus Proben gewinnen, in denen nur geringe Konzentrationen des Proteins in Mischung mit anderen Molekülen vorliegen. Ausgewählte Proteine können also unter Bedingungen, die denen in lebenden Zellen deutlich besser entsprechen, mit atomarer Auflösung untersucht werden. Das vereinfacht nicht nur die Probenherstellung, da aufwändige Schritte zur Protein-Aufreinigung entfallen, sondern ermöglicht auch, die Einflüsse der natürlichen Umgebung besser zu verstehen.

„Die zielgerichtete Verstärkung von Proteinsignalen bietet eine Vielzahl spannender Anwendungen im Bereich der zellulären Strukturbiologie und hat das Potenzial, neuartige Einblicke in komplexe biologische Prozesse zu ermöglich“, sagt Dr. Etzkorn.

„Die Entwicklung neuer Methoden für die Strukturbiologie ist Schwerpunkt der Forschung des Biomolekularen NMR-Zentrums“, erklärt Prof. Dr. Dieter Willbold, Leiter des Zentrums und Direktor des Düsseldorfer Instituts für Physikalische Biologie und des Jülicher ICS-6. „Das neue Verfahren ist hierzu ein wichtiger Beitrag, der viele neue Möglichkeiten eröffnet.“

Originalpublikation:
Thibault Viennet, Aldino Viegas, Arne Kuepper, Sabine Arens, Vladimir Gelev, Ognyan Petrov, Tom N. Grossmann, Henrike Heise, Manuel Etzkorn: Selective Protein Hyperpolarization in Cell Lysates Using Targeted Dynamic Nuclear Polarization Angew Chem Int Ed 2016 June 28.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201603205/full

Terminhinweis:

Derzeit bereiten die Wissenschaftler um Heise, Etzkorn und Willbold eine der größten NMR-Tagungen im deutschsprachigen Raum vor. Im September 2016 werden dafür hunderte internationale NMR-Forscher für drei Tage an die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf kommen.
Weitere Informationen unter:
http://www.fknmr.hhu.de/fgmr-2016/fgmr-discussion-meeting-2016.html

Ansprechpartner:

Dr. Manuel Etzkorn
Institut für Physikalische Biologie
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Tel.: +49 211 81-12023
Email: manuel.etzkorn@hhu.de

Prof. Dr. Dieter Willbold
Institute of Complex Systems, Strukturbiochemie (ICS-6)
Forschungszentrum Jülich/
Institut für Physikalische Biologie
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Tel.: 02461 61 2100
Email: d.willbold@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

https://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/ipb/team?index=1721
http://www.uni-duesseldorf.de/home/infocenter-hhu/aktuell/pressemitteilungen/pre...
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/ICS/ICS-6/DE/DNP-NMR.html

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Antibiotikaresistente Erreger in Haushaltsgeräten
16.02.2018 | Hochschule Rhein-Waal

nachricht Stammbaum der Tagfalter erstmalig umfassend neu aufgestellt
16.02.2018 | Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere

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: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Im Focus: Das VLT der ESO arbeitet erstmals wie ein 16-Meter-Teleskop

Erstes Licht für das ESPRESSO-Instrument mit allen vier Hauptteleskopen

Das ESPRESSO-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile hat zum ersten Mal das kombinierte Licht aller vier 8,2-Meter-Hauptteleskope nutzbar gemacht....

Im Focus: Neuer Quantenspeicher behält Information über Stunden

Information in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie geht meist rasch verloren. An der TU Wien erzielte man nun ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten.

Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren – das ist die Basis für viele vielversprechende Technologien, vom hochsensiblen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Auf der grünen Welle in die Zukunft des Mobilfunks

16.02.2018 | Veranstaltungen

Smart City: Interdisziplinäre Konferenz zu Solarenergie und Architektur

15.02.2018 | Veranstaltungen

Forschung für fruchtbare Böden / BonaRes-Konferenz 2018 versammelt internationale Bodenforscher

15.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

17.02.2018 | Energie und Elektrotechnik

Stammbaum der Tagfalter erstmalig umfassend neu aufgestellt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Strategien zur Behandlung chronischer Nierenleiden kommen aus der Tierwelt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics