Nanoforschung: Proteinkräne für die Biofabrik

Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM), an dessen nanometerfeiner Spitze Moleküle binden, können einzelne Biomoleküle aufgenommen und auf wenige Nanometer genau an einer bestimmten Stelle abgesetzt werden. Entwickelt wurde dieses sogenannte „Single-Molecule Cut & Paste“ (SMC&P) von Forschern um den LMU-Physiker Professor Hermann Gaub.

Allerdings war das Konzept zunächst auf DNA-Moleküle beschränkt. Die molekularen Maschinen der Zelle bestehen jedoch aus Proteinen. Das Aneinanderreihen derartiger Maschinen zu noch komplexeren Vorrichtungen ist ein wichtiges Ziel der Nanotechnologie – einerseits, um die Arbeitsweise der Zelle besser zu verstehen, und andererseits um neue, nanoskalige Maschinerien zu entwickeln und einzusetzen.

Um dies möglich zu machen, haben LMU-Wissenschaftler die SMC&P Technik bedeutend erweitert: Nun können auch Proteine wie am Fließband mit der AFM-Spitze aus einem Lager abgeholt und nanometergenau in einem Konstruktionsbereich wieder abgesetzt werden. „Allerdings herrschen auf der Nanoskala in Flüssigkeit und bei Raumtemperatur Bedingungen, die uns an einen extremen Sturm erinnern würden“, sagt Mathias Strackharn, der Erstautor der neuen Studie. Deshalb ist es wichtig, die Moleküle festzuhalten – im Lager, an der AFM-Spitze und auch im Konstruktionsbereich.
Leuchtende Ampelmännchen beweisen Effizienz

Die Kräfte, mit denen die Proteine festgehalten werden, müssen dabei genau aufeinander abgestimmt sein – und so gering, dass die äußerst empfindlichen Proteine nicht zerstört werden. Dies erreichten die Wissenschaftler durch den kombinierten Einsatz von Antikörpern, sogenannten Zinkfinger-Molekülen und DNA-Ankern. „Dass die Technik funktioniert, konnten wir beweisen, indem wir hunderte von einzelnen, fluoreszierenden GFP-Protein transportierten und zu einem Mikrometer-großen Ampelmännchen anordneten“, erklärt Strackharn.

Die Stärke der Technik liegt darin, dass jetzt komplexe Proteinkonstellationen direkt getestet werden können – etwa wie sich eine Kopplung einzelner Enzyme auswirkt und was für eine Rolle ihr Abstand spielt. Eine weitere Anwendung liegt in der Entwicklung künstlicher Cellulosome, also Nanomaschinen, mit denen pflanzliche Biomasse abgebaut wird. „Wenn wir diese aus einzelnen Proteinen aufgebauten Enzym-Fließbänder effizient nachbauen können, haben wir eventuell einen bedeutenden Beitrag zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe getan“, erläutert Strackharn mögliche Implikationen für die Zukunft. (JACS September 2012) göd

Publikation:
Nanoscale Arrangement of Proteins by Single-Molecule Cut-and-Paste
Mathias Strackharn, Diana A. Pippig, Philipp Meyer, Stefan W. Stahl, and Hermann E. Gaub
J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (37), pp 15193–15196
doi: 10.1021/ja305689r

Kontakt:
Mathias Strackharn
Abteilung für Angewandte Physik/Biophysik
Tel: 089/2180-3545
Fax: 089/2180-2050
http://www.biophysik.physik.uni-muenchen.de/personen/phd-stud/strackharn_mathias/index.html