Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Synthetische Biologie: TUM-Forscher entwickeln neuartiges Leuchtprotein

09.03.2011
Seit Mitte der 1990er Jahre ist ein knallgrün fluoreszierendes Eiweiß weltweit in biowissenschaftlichen Forschungslabors im Einsatz.

Protein-Designer der Technischen Universität München (TUM) in Weihenstephan haben das bekannte Leuchtprotein jetzt weiterentwickelt: Sie haben es geschafft, eine künstliche Aminosäure in das natürliche Eiweiß einzubauen und so mittels synthetischer Biologie ein neuartiges fluoreszierendes Biomolekül herzustellen. Dieses Leuchtprotein schimmert dank Ausnutzung eines besonderen physikalischen Effekts türkis, wenn es mit ultraviolettem Licht angeregt wird, und weist bislang unerreichte Eigenschaften auf.


Wechselspiel zweier Farbstoffe in dem biosynthetischen Leuchtprotein
(Grafik: A. Skerra / TUM)

Proteine sind die wichtigsten biomolekularen Funktionsträger in der Natur mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten in der biowissenschaftlichen Grundlagenforschung, Biotechnologie und Medizin. Wie modifiziert man solche Eiweißstoffe möglichst effizient, um gewünschte Eigenschaften zu erreichen? Bislang verändert man sie in der Regel entweder auf chemischem Weg oder mit gentechnologischen Methoden. Ein Team um Prof. Dr. Arne Skerra vom Lehrstuhl für Biologische Chemie der TUM hat nun eine elegantere kombinierte Lösung gefunden: Die Forscher können unter Erweiterung des ansonsten universell gültigen genetischen Codes Bakterienzellen dazu bringen, maßgeschneiderte Proteine mit künstlichen chemischen Bausteinen zu produzieren. Die Probe aufs Exempel machten sie mit einer besonders harten Nuss: Die Forscher wollten eine nicht-natürliche Aminosäure an einer ganz bestimmten Stelle in ein verbreitet eingesetztes natürliches Protein einbauen.

Dieses Eiweiß ist in der Bioforschung als „GFP“ (= grün fluoreszierendes Protein) wohlbekannt: Es leuchtet knallgrün und entstammt ursprünglich einer Meeresqualle, der es in dunklen Wassertiefen Sichtbarkeit verleiht. Als synthetischen Baustein wählte das Team einen hellviolett leuchtenden Cumarin-Farbstoff, der als Seitenkette einer künstlichen Aminosäure diente. Diese synthetische Aminosäure „fütterten“ die Forscher einer Laborkultur von Escherichia-coli-Bakterien – als Arbeitspferde der Gentechnik dienenden Mikroorganismen, deren natürliche Geschwister auch im menschlichen Darm zu finden sind. Da das Team den Bakterien auch den abgewandelten genetischen Bauplan für das GFP – einschließlich der benötigten Biosynthesemaschinerie – übertragen hatte, bauten diese die fluoreszenzaktive Aminosäure an einer genau definierten Stelle in das Leuchtprotein ein.

Dieser Ort im GFP war mit Bedacht gewählt, erläutert Prof. Skerra: „Wir haben die synthetische Aminosäure innerhalb des natürlichen Proteins in einer ganz bestimmten Entfernung von dem natürlicherweise darin vorkommenden Leuchtzentrum positioniert“. Die Forscher spekulierten dabei auf den so genannten Förster-Resonanzenergietransfer- oder kurz: FRET-Effekt. Dieser nach dem deutschen Physikochemiker Theodor Förster benannte Prozess der physikalischen Energieübertragung sorgt dafür, dass unter günstigen geometrischen Bedingungen strahlungsfrei Energie von einem angeregten Farbstoff zu einem anderen fließen kann.

Genau dieser FRET-Effekt konnte bei dem neu entwickelten Leuchtprotein in eleganter Weise realisiert werden. Die Forscher legten den Abstand zwischen dem eingeführten chemischen Farbstoff und dem biologischen Grünblau-(genauer: Cyan)-Farbstoff der Meeresqualle nämlich genau so, dass das Wechselspiel der beiden Pigmente in dem resultierenden Verbundmolekül zu einer ganz neuartigen Fluoreszenzaktivität führte: Wegen der extremen Nähe der beiden Leuchtstoffe ist das Hellviolett der künstlichen Aminosäure nicht mehr messbar, sondern es dominiert der typische grünblaue Farbton des Leuchtproteins. „Das Besondere ist, dass sich dank der eingebauten künstlichen Aminosäure sein Leuchten im Gegensatz zu dem natürlichen GFP schon mit einer handelsüblichen Schwarzlichtlampe auslösen lässt, anstatt einen teuren Speziallaser zu bemühen“, erklärt Sebastian Kuhn, der diese wegweisenden Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit realisiert hat.

Das Herstellungsprinzip des neuartigen Biomoleküls, das sich durch eine bislang schwer erreichbare, besonders große Differenz in der Wellenlänge zwischen anregendem und ausgesandtem Licht auszeichnet, dürfte zahlreiche interessante Anwendungen eröffnen, so Skerra: „Wir haben jetzt gezeigt, dass die Technik grundsätzlich funktioniert. Mit unserer Methode kann man in Zukunft Leuchtproteine in diversen Farben für vielfältige Anwendungen maßgeschneidert herstellen.“ Dieses Forschungsprojekt wurde aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Munich Center for Integrated Protein Science (CIPS-M) unterstützt.

Publikation:
Sebastian M. Kuhn, Marina Rubini, Michael A. Müller und Arne Skerra (2011): Biosynthesis of a fluorescent protein with extreme pseudo-Stokes shift by introducing a genetically encoded non-natural amino acid outside the fluorophore. Journal of the American Chemical Society 133, 3708-3711. Online-Vorabveröffentlichung unter http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja1099787. (DOI: 10.1021/ja1099787)
Kontakt:
Prof. Dr. Arne Skerra
Lehrstuhl für Biologische Chemie
Technische Universität München
Emil-Erlenmeyer-Forum 5
85350 Freising-Weihenstephan
Tel.: 08161 / 71-4350
E-Mail: skerra@tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.wzw.tum.de/bc

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie