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 Adenoviren binden gezielt an Strukturen auf Tumorzellen
23.04.2018 | Eberhard Karls Universität Tübingen

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

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: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

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

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

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