Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Schatten einer Krankheit

12.09.2014

Proteine wie etwa Tumormarker lassen sich anhand ihres Streulicht einfach und mit hoher Empfindlichkeit nachweisen

Manche Krankheiten könnten sich künftig früher diagnostizieren und so auch besser therapieren lassen. Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen haben einen optischen Biodetektor entwickelt, der einzelne Proteine wie etwa charakteristische Eiweiße für manche Krebsart sichtbar macht.


Einzelne unmarkierte Proteine können Erlanger Forscher anhand des schwachen Schattens identifizieren, den die Biomoleküle erzeugen, wenn sie Licht streuen. Für ihren Biosensor nutzen die Wissenschaftler eine ausgesprochen empfindliche Methode, um Streulicht zu detektieren. Zudem haben sie einen Weg gefunden das störende optische Rauschen des Hintergrundes gewissermaßen auszublenden.

© MPI für die Physik des Lichts

Das können zwar auch andere Verfahren, aber nur wenn die gesuchten Biomoleküle vorher mit fluoreszierenden Anhängseln versehen werden. Bei manchen Proteinen ist das aber schwierig oder gar nicht möglich. Die Erlanger Forscher detektieren mit ihrer Methode namens iSCAT dagegen direkt das Streubild einzelner Proteine, sie machen also deren Schatten sichtbar. Der Biosensor könnte nicht nur medizinische Diagnosen empfindlicher machen, sondern auch neue Einsichten in biologische Prozesse liefern.

Ein einzelnes Protein in einer Zelle aufzuspüren, ist ungefähr so einfach, wie im Berufsverkehr auf Deutschlands Autobahnen ein bestimmtes Auto zu finden – wenn es keine Nummernschilder gäbe. Denn Myriaden unterschiedlicher Proteine wuseln dort durcheinander.

Zwar können Biologen eine Sorte von Eiweißmolekülen mit chemischen Angeln aus dieser unübersichtlichen Suppe herausfischen und auf einem Mikroskopträger fixieren. Das hilft ihnen aber kaum: Wenn sie in einem Lichtmikroskop die Beute ihres Fischzugs durchleuchten, heben sich die gesuchten Proteine nicht vom Hintergrund ab.

Vahid Sandoghdar, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, und Marek Piliarik, Postdoc in Sandoghdars Abteilung, erzeugen nun ein viel übersichtlicheres Bild, ohne die Zielproteine aufwendig mit leuchtenden Markern zu versehen. Möglich wird das dank iSCAT, kurz für interferometric detection of scattering oder interferometrische Detektion von Streulicht.

Dabei durchleuchten die Forscher einen Mikroskopträger, auf dem die gesuchten Proteine mit passenden biochemischen Ködern gefangen und festgesetzt werden, mit Laserlicht. Die Proteine streuen das Licht, werfen also einen Schatten, wenn auch einen sehr schwachen. „iSCAT öffnet eine Türe nicht nur für eine empfindlichere Diagnostik von Krankheiten wie Krebs, sondern auch für die Untersuchung vieler fundamentaler biochemischer Prozesse in der Natur“, sagt Vahid Sandoghdar.

Das Streubild eines Proteins wird verstärkt und vom Rauschen befreit

Die Erlanger Forscher machen ihren Biosensor empfindlich für einzelne unmarkierte Proteine, indem sie einige Tricks anwenden – und weil sie sich von den Vorbehalten vieler Wissenschaftler nicht haben beirren lassen: „Bisher galt die Meinung, dass man Hintergrundlicht eliminieren soll, wenn man das Streulicht von Nanopartikeln detektieren möchte“, erklärt Vahid Sandoghdar. „Wir haben dagegen in den vergangenen Jahren realisiert, dass es vorteilhafter ist, die Probe stark zu beleuchten und das winzige Signal als Schatten im intensiven Hintergrundlicht sichtbar zu machen.“ Daher lassen die Forscher das Hintergrundlicht mit dem schwachen Streulicht interferieren, sodass das gesuchte Signal verstärkt wird.

Auf dem Interferenzbild können die Forscher die Proteinschatten allerdings noch nicht ausfindig machen, weil dieses Bild an das Standbild einer völlig verrauschten Fernsehübertragung in schwarz-weiß erinnert: Die interferometrische Detektion ist so empfindlich, dass auch jede winzige Rauigkeit oder Verunreinigung auf dem Probenträger einen Schatten erzeugt, der sogar deutlich stärker sein kann als der eines Proteins.

Das ficht die beiden Erlanger Forscher aber nicht an. Denn mit einem zweiten Kniff beseitigen sie das Rauschen. Sie schießen mit dem iSCAT-Mikroskop nicht nur eine Aufnahme, nachdem sie eine Lösung mit dem gesuchten Protein auf den Träger geträufelt haben, sondern auch davor. „Da der größte Teil des optischen Rauschens durch nanoskopische Unebenheiten des Probenträgers entsteht, die sich nicht verändern, können wir die beiden Bilder voneinander abziehen und so das Rauschen eliminieren“, erklärt Piliarik. Die gesuchten Proteine heben sich dann als dunkle Punkte klar vom Hintergrund ab, obwohl der Schatten des Proteins nur um ein Zehntausendstel oder gar ein Hunderttausendstel dunkler ist als der Hintergrund.

iSCAT identifiziert ein gesuchtes Protein unter 2000 anderen

Als Schatten im Mikroskop wiesen Marek Piliarik und Vahid Sandoghdar verschiedene unmarkierte Proteine nicht nur in entsprechenden reinen Lösungen nach. Sie spürten einzelne Eiweiße auch in Mischungen auf, die bis zu 2000mal mehr an anderen Proteinen enthielten. „Dabei limitiert uns jedoch nicht die Empfindlichkeit der Optik, wie spezifisch wir ein gesuchtes Protein identifizieren können, sondern die Selektivität der Substanzen, mit denen die Zielproteine auf dem Mikroskopträger gebunden werden“, sagt Marek Piliarik. Wie die Forscher zudem feststellten, hängt die Stärke des Kontrasts zwischen Eiweiß und Hintergrund von der Größe des gesuchten Teilchens ab. Sie fanden sogar Hinweise, dass dieser Kontrast auch etwas über die Form des Proteins verraten kann. 

„Die Stärke unseres Biosensors liegt nicht nur darin, dass sie so empfindlich ist und wir damit gesuchte Proteine in einer Probe zählen können“, sagt Vahid Sandoghdar. „iSCAT zeigt uns auch die genaue Position der Teilchen.“ Das könnten Biologen ausnutzen, um zu studieren, ob und wie verschiedene Proteine aneinander binden. Das Zusammenspiel der Proteine zu kennen, ist für das Verständnis von Krankheiten und einer Vielzahl biologischer Vorgänge wichtig. Und möglicherweise können Biologen mit iSCAT künftig auch noch kleinere Teilchen als Proteine, also etwa RNA-Schnipsel, beobachten und verfolgen, wie sie sich gegenüber anderen Substanzen verhalten. Zu diesem Zweck wollen die Erlanger Forscher das Verhältnis von Signal zu Rauschen in ihrem Biodetektor noch verbessern. Dass dies prinzipiell möglich ist, wissen die Erlanger Forscher bereits. Und sie haben auch schon Ideen, wie.

Ansprechpartner

Ph.D., Prof. Vahid Sandoghdar
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen

Telefon: +49 09131 6877-200
Fax: +49 09131 6877-209

 

Originalpublikation

 
Marek Piliarik und Vahid Sandoghdar
Direct optical sensing of single unlabelled proteins and super-resolution imaging of their binding sites
Nature Communications, online veröffentlicht 29. Juli 2014; doi: 10.1038/ncomms5495

Ph.D., Prof. Vahid Sandoghdar | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/8410698/biosensor_streulicht_iscat

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Herzforschung - Neue Katheterklappe in Tübingen entwickelt
16.01.2017 | Universitätsklinikum Tübingen

nachricht Fernüberwachung bei Herzschwäche kann Klinikaufenthalt ersparen
09.01.2017 | Universitäts-Herzzentrum Freiburg - Bad Krozingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise