Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zucker im Windkanal

01.10.2015

Wissenschaftler können mit einem neuen Verfahren erstmals komplexe Zuckermoleküle sequenzieren

Einem Berliner Forscherteam um Kevin Pagel von der Freien Universität Berlin und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und Peter Seeberger vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Freien Universität Berlin haben die Analyse von Kohlenhydraten entscheidend verbessert.

Mit dem von Pagel und Seeberger entwickelten Verfahren können komplexe Zucker jetzt auch sequenziert werden. Es ist nun möglich schneller und einfacher geringste Verunreinigungen zu erkennen und damit die Qualitätskontrolle von synthetisch hergestellten Kohlenhydraten zu ermöglichen.

Das Verfahren ist wichtig für die Entwicklung neuartiger Impfstoffe, Wirkstoffe und Diagnostika. Für die Glykobiologie ist dies ein ähnlicher Durchbruch wie die DNA-Sequenzierung für die Genetik.

Kohlenhydrate sind wesentlich komplizierter aufgebaut als die DNA oder Proteine. Während DNA-Moleküle aus vier Grundbausteinen und Proteine aus 20 Aminosäuren aufgebaut sind, existieren in der Natur mehr als 100 Zuckerbausteine.

Darüber hinaus sind die DNA-Grundbausteine und Aminosäuren ausschließlich kettenförmig aneinandergefügt. Zucker können aber auch Verzweigungen und räumlich unterschiedliche Anordnungen (Anomere) bilden. Fast alle Zellen sind von einem Zuckermantel umgeben, der für Immunantworten, für die Identifizierung von Zellen untereinander und die Befruchtung von Eizellen verantwortlich ist. Zucker spielen also eine sehr wichtige Rolle in vielen natürlichen Abläufen.

Die ungeheure Vielfalt der aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehenden Zuckermoleküle in der Natur kann aber für Chemiker bei der Forschung zum Problem werden, wenn sie spezifische Moleküle finden oder herstellen wollen. Denn einzelne Zuckerbausteine können auf sehr viele verschiedene Arten aneinander binden.

Schon einfache Zuckermoleküle haben oft genau die gleiche Anzahl von Atomen, besitzen also die gleiche Masse; nur der Winkel einer Bindung unterscheidet sie. Diese anscheinend gleichen Moleküle, sogenannte Isomere, sind aber sehr unterschiedlich biologisch aktiv. Ein Beispiel sind Glukose und Galaktose. Die Summenformel ist identisch, C6H12O6, die Moleküle und deren biologische Wirkung sind es aber nicht.

Chemiker behelfen sich bei der Identifikation von Molekülen immer mit Tricks, denn auf der atomaren Ebene können die meisten Moleküle nicht beobachtet werden. Zum Beispiel ermitteln sie die Masse von Molekülen, untersuchen ihre magnetischen Eigenschaften oder das Licht, das sie aussenden, wenn die Substanzen verglühen.

Damit kann man viele Verbindungen gut aufklären, aber all das hilft nicht, wenn es sich um Zucker-Isomere handelt, bei denen nur die Anordnung der Atome unterschiedlich ist. Es gibt drei Arten solcher Unterschiede in Zuckern aus der gleichen Anzahl von Atomen: Komposition, Konnektivität und Konfiguration, und alle drei waren bisher für Forscher nur mit sehr hohem Zeit und Materialaufwand und mit großen Molekülmengen feststellbar.

Die Berliner und Potsdamer Wissenschaftler haben dieses knifflige Problem jetzt durch die Kombination verschiedener Methoden gelöst: Sie nutzen die unterschiedliche Form der Moleküle. Die unterschiedlichen Formen erzeugen in einem gasgefüllten Raum, durch den die Moleküle geschickt werden, unterschiedlich starken Widerstand, vergleichbar mit dem sogenannten CW-Wert in einem Windkanal.

Pagel und seine Kollegen kombinierten diese Messung der Ionenmobilität mit einer Messung der Molekülmassen. Dann glichen sie beide Informationen gegeneinander ab, um Unterschiede in der Komposition, Konnektivität und Konfiguration zu finden. Große Moleküle werden dabei in Bestandteile zerlegt, die Form der Bestandteile wird durch die Aufspaltung jedoch nicht verändert, so dass die Summe der Eigenschaften der Bestandteile das große Molekül genau beschreibt.

Kombiniert mit einer Datenbank, die derzeit erstellt und auch von anderen Wissenschaftlern bestückt werden soll, lässt sich das Analyseverfahren so auf eine immer größere Anzahl von Molekülen anwenden. Ist ein Molekül einmal systematisch identifiziert worden, kann es in Zukunft auch durch automatisierte Verfahren erkannt werden.

Praktischen Nutzen hat das neue Verfahren für die Qualitätskontrolle synthetisch hergestellter Zucker. Syntheseroboter reihen dabei Moleküle wie Perlen an einer Schnur auf. Bisher war es nur möglich, Unreinheiten zu entdecken, wenn sie mindestens fünf Prozent ausmachten. Mit der neuen „Windkanalmethode“ konnte diese Nachweisgrenze auf 0,1 Prozent verringert werden.

„Die neue Methode ist schnell, zuverlässig und sehr sensitiv. Dadurch wird die Glykan-Sequenzierung einen riesigen Schub bekommen – ähnlich wie in der DNA Forschung, auch dort brachte die Gensequenzierung den Durchbruch“, erklärt Seeberger.

Die Glykobiologie beschäftigt sich mit biologisch aktiven Kohlehydraten. Sie ist eines der aussichtsreichsten Gebiete der Chemie und der Wissenschaft allgemein, Berlin ist weltweit eines der wichtigsten Zentren dieses Forschungsgebietes.

Bis 1974 wurden sieben Nobelpreise in den Glykowissenschaften verliehen, dann jedoch wurde es ruhig um die Zucker, denn die Untersuchungsmethoden wurden nicht im gleichen Maß wie in der Genetik weiterentwickelt. Durch die neuen Ergebnisse hat das Forschungsgebiet einen weiteren großen Schritt zur technischen Nutzung gemacht.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Peter H. Seeberger
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-9301

Fax: +49 331 567-9102

E-Mail: peter.seeberger@mpikg.mpg.de


Prof. Dr. Kevin Pagel
Institut für Chemie and Biochemie

Freie Universität Berlin
Telefon: +49 30 838-72703

E-Mail: kevin.pagel@fu-berlin.de


Originalpublikation

J. Hofmann, H. S. Hahm, P. H. Seeberger & K. Pagel

Identification of carbohydrate anomers using ion mobility–mass spectrometry

Nature, 1 October 2015 (doi:10.1038/nature15388)

Prof. Dr. Peter H. Seeberger | Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm
Weitere Informationen:
https://www.mpg.de/9673921/zucker-sequenzierung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

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

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

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: 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...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

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

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

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