Mit höchster Auflösung: RNA-Bildgebung in lebenden Zellen

Abbildungen von Darmbakterien mit konventioneller Epifluoreszenzmikroskopie (links) und höchstauflösender Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie unter Einsatz des neuen RhoBAST-Farbstoff-Marker-Komplexes zur Fluoreszenzmarkierung. Skalenbalken: 1 µm.

Universität Heidelberg/Karlsruher Institut für Technologie

Innovatives Verfahren ermöglicht neue Einblicke in molekulare Prozesse, an denen RNA beteiligt ist.

Ribonukleinsäure – kurz RNA – ist maßgeblich an grundlegenden biologischen Prozessen beteiligt. Sie transportiert genetische Informationen, setzt diese in Proteine um oder trägt zur Genregulation bei. Um zu verstehen, welche Funktionen sie im Detail erfüllt, haben Forscher der Universität Heidelberg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein neues Verfahren der Fluoreszenzbildgebung entwickelt. Damit lässt sich RNA in lebenden Zellen mit bisher unerreichter Auflösung darstellen.

Das Verfahren stützt sich auf einen neuartigen molekularen Marker mit dem Namen Rhodamine-Binding Aptamer for Super-Resolution Imaging Techniques (RhoBAST). Dieser RNA-basierte Fluoreszenzmarker wird in Verbindung mit dem Farbstoff Rhodamin eingesetzt. Marker und Farbstoff treten aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften in eine spezielle Wechselwirkung, wodurch einzelne RNA-Moleküle zum Leuchten gebracht werden. Mithilfe der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie, die zu den bildgebenden Verfahren mit höchster Auflösung gehört, können sie anschließend sichtbar gemacht werden. Da es bislang an geeigneten Werkzeugen zur gezielten Fluoreszenzmarkierung mangelte, war die direkte Beobachtung von Ribonukleinsäuren mittels optischer Fluoreszenzmikroskopie nur eingeschränkt möglich.

RhoBAST wurde von Wissenschaftlern des Instituts für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB) der Universität Heidelberg und des Instituts für Angewandte Physik (APH) des KIT entwickelt. Der von ihnen geschaffene Marker ist genetisch kodierbar und kann somit an das Gen einer beliebigen, von einer Zelle produzierten RNA andocken. RhoBAST selbst ist nicht fluoreszent, bringt jedoch den zelldurchlässigen Rhodamin-Farbstoff zum Leuchten, indem es diesen spezifisch bindet. „Dies hat eine dramatische Fluoreszenzsteigerung des RhoBAST-Farbstoffkomplexes zur Folge. Sie ist eine wichtige Voraussetzung, um exzellente Fluoreszenzbilder zu erhalten“, erläutert Dr. Murat Sünbül vom IPMB. „Für die RNA-Bildgebung mit höchster Auflösung benötigt der Marker jedoch zusätzliche Eigenschaften“, so der Wissenschaftler.

Die Forscher fanden heraus, dass ein Rhodamin-Farbstoffmolekül nur etwa eine Sekunde lang an RhoBAST bindet, bevor es sich wieder löst. Dieser Vorgang wiederholt sich anschließend innerhalb weniger Sekunden mit einem neuen Farbstoffmolekül. „Starke Wechselwirkungen wie zwischen RhoBAST und Rhodamin, kombiniert mit einer außergewöhnlich schnellen Austauschkinetik, sind eher selten“, sagt Prof. Dr. Gerd Ulrich Nienhaus vom APH. Da Rhodamin erst nach der Bindung an RhoBAST fluoresziert, kommt es durch die ständig neu entstehenden Verbindungen zwischen Marker und Farbstoff zu einem unaufhörlichen „Blinken“. „Dieses An-Ausschalten ist genau das, was wir für die Bildgebung mit der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie brauchen“, so Prof. Nienhaus.

Dabei löst das RhoBAST-System ein weiteres wichtiges Problem: Fluoreszenzbilder werden unter Bestrahlung mit Laserlicht aufgenommen, was die Farbstoffmoleküle mit der Zeit zerstört. Der schnelle Farbstoffaustausch sorgt dafür, dass gebleichte Farbstoffe durch frische ersetzt werden. Somit können einzelne RNA-Moleküle länger beobachtet werden, was die Bildauflösung stark verbessern kann, wie Prof. Dr. Andres Jäschke, Wissenschaftler am IPMB, erläutert.

Dass RhoBAST als RNA-Marker hervorragende Eigenschaften besitzt, konnten die Wissenschaftler aus Heidelberg und Karlsruhe mit der Visualisierung von RNA-Strukturen im Inneren von Darmbakterien (Escherichia coli) und menschlichen Zellen in Kultur mit exzellenter Lokalisierungsgenauigkeit demonstrieren. „Wir können Details der bislang unsichtbaren subzellulären Strukturen und molekularen Interaktionen unter Beteiligung von RNA mithilfe von höchstauflösender Fluoreszenzbildgebung sichtbar machen. Dies wird ein grundlegend neues Verständnis biologischer Prozesse ermöglichen“, sagt Prof. Jäschke.

Die Forschungsarbeiten von Murat Sünbül und Andres Jäschke im Rahmen der Studie wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt, die Arbeit von Gerd Ulrich Nienhaus von der DFG und der Helmholtz-Gemeinschaft. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Biotechnology“ veröffentlicht.

Kontakt:
Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Tel. +49 6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Kontakte an der Universität Heidelberg:
Dr. Murat Sünbül
Prof. Dr. Andres Jäschke
Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie
Telefon (06221) 54-4853
msunbul@uni-heidelberg.de
jaeschke@uni-hd.de

Kontakt am Karlsruher Institut für Technologie:
Prof. Dr. Gerd Ulrich Nienhaus
Institut für Angewandte Physik
Telefon (0721) 608 43401
uli.nienhaus@kit.edu

Originalpublikation:

M. Sunbul, J. Lackner, A. Martin, D. Englert, B. Hacene, K. Nienhaus, G. U. Nienhaus, A. Jäschke: Super-resolution RNA imaging using a rhodamine-binding aptamer with fast exchange kinetics, Nature Biotechnology, 11. Februar 2021 (Datum der Online-Veröffentlichung), https://doi.org/10.1038/s41587-020-00794-3

Weitere Informationen:

http://www.ipmb.uni-heidelberg.de
http://www.ipmb.uni-heidelberg.de/chemie/jaeschke/index.html
http://www.aph.kit.edu/index.php
http://www.aph.kit.edu/nienhaus/index.php

Media Contact

Marietta Fuhrmann-Koch Kommunikation und Marketing
Universität Heidelberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Optisch aktive Defekte verbessern Kohlenstoffnanoröhrchen

Heidelberger Wissenschaftlern gelingt Defekt-Kontrolle durch neuen Reaktionsweg. Mit bewusst erzeugten strukturellen „Fehlstellen“ oder Defekten lassen sich die Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Nanomaterialien verändern und verbessern. Dabei stellt es jedoch eine besondere…

Spritzguss von Glas

Freiburger Forschenden gelingt schnelle, kostengünstige und umweltfreundliche Materialfertigung. Von Hightech-Produkten im Bereich Optik, Telekommunikation, Chemie und Medizin bis hin zu alltäglichen Gegenständen wie Flaschen und Fenstern – Glas ist allgegenwärtig….

Radikalischer Angriff auf lebende Zellen

Durch Mikrofluidik gezielt die Oberfläche von Zellen mit freien Radikalen stimulieren. Lassen sich kleine, abgegrenzte Bereiche auf der Zellmembran chemisch manipulieren? Mit einer raffinierten mikrofluidischen Sonde haben Wissenschaftler:innen Zellen gezielt…

Partner & Förderer