Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetresonanz am einzelnen Protein

06.03.2015

Mit einem besonders empfindlichen magnetischen Sensor lässt sich die Form und Bewegung von Biomolekülen beobachten

Kernspin-Untersuchungen erleichtern Ärzten und Biologen enorm die Arbeit. Die Technik ist nicht nur das Mittel der Wahl für viele medizinische Diagnosen, sie offenbart auch immer mehr Details über die Chemie des Lebens. Ein deutsch-chinesisches Team, an dem auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart beteiligt sind, präsentiert jetzt sogar eine Magnetresonanz-Studie an einem einzelnen Protein.


Brillanter Blick auf ein Protein: Ein NV-Zentrum, an dem in einem Diamanten ein Stickstoffatom sitzt, dient einem deutsch-chinesischen Team als besonders empfindlicher Sensor, um die Form und die Bewegung eines einzelnen Moleküls des Proteins MAD-2 zu untersuchen.

© University of Science and Technology of China, Hefei

Die Biophysiker setzen dabei auf die Prinzipien, die auch die Kernspin-Untersuchungen der Radiologie ermöglichen, sie nutzen allerdings einen viel empfindlicheren Sensor. So beobachten sie, wie sich das Protein bewegt, und zwar bei Raumtemperatur und in einem Milieu, das dem Zellinneren ähnelt. Damit zeigen die Wissenschaftler, dass es grundsätzlich möglich ist, einzelne Proteine und ihr Zusammenspiel in Zellen zu verfolgen, um Ursachen und Therapieansätze für Krankheiten zu finden.

Proteine sind die Werkzeuge des Lebens. Und wie ein Schraubenzieher in Gestalt eines Hammers keine Schraube dreht, erledigen sie ihre unzähligen Aufgaben im Körper nur, wenn sie die richtige Form oder Konformation besitzen. Manche Proteine müssen ihre Form wie eine auf- und zuklappende Zange auch ändern, um richtig zu funktionieren – Biologen sprechen dann von einer Konformationsänderung. Erledigen Proteine ihre Aufgaben nicht formvollendet, stottert die biochemische Maschinerie, und wir werden krank.

„Um die Funktion der Proteine zu verstehen und mögliche Krankheitsursachen zu erkennen, wollen wir Proteine möglichst in einer Zelle beobachten“, sagt Jörg Wrachtrup, Professor an der Universität Stuttgart und Fellow des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung. „Diesem Ziel sind wir jetzt einen großen Schritt näher gekommen.“ In einem Team, das Forscher der Universität im chinesischen Hefei leiteten, ist es ihm nun erstmals gelungen, mit der Magnetresonanz-Technik unter nahezu physiologischen Bedingungen zu verfolgen, wie sich ein einzelnes Exemplar des Proteins MAD-2 bewegt. MAD-2 trägt dazu bei, dass die Zellteilung reibungslos vonstatten geht.

Ein Fehler im Diamanten dient als besonders empfindlicher Sensor

Um zu prüfen, ob Proteine für solche Aufgaben in Form sind, hat Jörg Wrachtrup mit seinen Mitarbeitern einen Sensor mit der geeigneten Empfindlichkeit entwickelt. Kern dieses Sensors ist eine Fehlstelle in einem Diamanten, an der in dem Kohlenstoffgerüst des Edelsteins ein Stickstoffatom sitzt. Die Physiker nennen diesen Defekt NV-Zentrum, kurz für nitrogen vacancy center. An dieser Stelle sitzt ein Elektron, das anders als die anderen Elektronen im Diamantgitter keinen Partner hat. Sein Spin macht dieses Elektron zu einer Art winzigem Stabmagneten.

In welche Richtung sich der elektronische Stabmagnet am NV-Zentrum orientiert, lässt sich daran erkennen, wie stark der Stickstoff-Defekt in einem Lichtstrahl leuchtet. Die Orientierung des Stabmagneten hängt dabei von den magnetischen Einflüssen aus seiner unmittelbaren Umgebung ab. Die können etwa von den Kernspins der Wasserstoffatome in einem Protein herrühren, das die Forscher über dem NV-Zentrum platzieren.

Die Wirkung der Kernspins ist allerdings so schwach, dass die Forscher auf diese Weise nur einen winzigen Schnipsel des Proteins sehen könnten. Daher versehen sie das Protein mit einer Art magnetischen Verstärker: einem kleinen organischen Molekül, das ebenfalls einen einzelnen Elektronenspin und damit einen kleinen Stabmagneten trägt. Wie der Stabmagnet an dem Verstärkermolekül sein Pendant am NV-Zentrum beeinflusst, verrät den Forschern bis zu einer Entfernung von etwa zehn Nanometern nicht nur etwas über die Lage und Bewegung ihres Testproteins MAD-2. Das Verstärkermolekül übermittelt auch Informationen über die Kernspins des Proteins.

Mit Mikrowellenpulsen wird das magnetische Rauschen gefiltert

Um diese Information aus MAD-2 heraus zu kitzeln, muss das chinesisch-deutsche Team jedoch einen Trick anwenden. Denn die Forscher lösten das Protein in Polylysin, Ketten der Aminosäure Lysin, und simulierten auf diese Weise das Durcheinander an Proteinen in einer Zelle. Polylysin beeinflusst den Magnetsensor am NV-Zentrum jedoch ebenfalls stark. In diesem magnetischen Rauschen ginge der Einfluss von MAD-2 einfach unter. „Wir können den Spin-Sensor am NV-Zentrum aber so gut kontrollieren, dass wir das Rauschen des Polylysins herausfiltern“, sagt Jörg Wrachtrup. Mit einer Folge von Mikrowellenpulsen manipulieren die Wissenschaftler den Stabmagneten am NV-Zentrum. Der Sensor reagiert dann nur noch auf bestimmte magnetische Einflüsse, Störsignale bleiben so wirkungslos.

Ihre Technik wollen die Forscher nun auf Proteine in Zellen anwenden. „Einzelne Proteine lassen sich zwar schon mit der optischen Nanoskopie sichtbar machen“, sagt Jörg Wrachtrup. „Diese Methoden liefern jedoch keine Information über die Konformation und Dynamik eines Proteins.“ Der Diamantsensor soll da Abhilfe schaffen. Er soll Biochemikern künftig zeigen, ob Proteine bei ihren Aufgaben die richtige Form wahren.


Ansprechpartner

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup
Fellow am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Universität Stuttgart
Telefon: +49 711 685-65278

E-Mail: j.wrachtrup@fkf.mpg.de


Originalpublikation


Fazhan Shi, Qi Zhang, Pengfei Wang, Hongbin Sun, Jiarong Wang, Xing Rong, Ming Chen, Chenyong Ju, Friedemann Reinhard, Hongwei Chen, Jörg Wrachtrup, Junfeng Wang und Jiangfeng Du

Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions

Science, 6. März 2015; doi: 10.1126/science.aaa2253

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt
17.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Vorhersagen bestätigt: Schwere Elemente bei Neutronensternverschmelzungen nachgewiesen
17.10.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mobilität 4.0: Konferenz an der Jacobs University

18.10.2017 | Veranstaltungen

Smart MES 2017: die Fertigung der Zukunft

18.10.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Biokunststoffe könnten auch in Traktoren die Richtung angeben

18.10.2017 | Messenachrichten

»ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern

18.10.2017 | Energie und Elektrotechnik

IVAM-Produktmarkt „High-tech for Medical Devices“ auf der COMPAMED 2017

18.10.2017 | Messenachrichten