Smarte hauchdünne Nanoblätter fischen Proteine

Das neue Nanoblatt-Verfahren Andrey Turchanin / Zian Tang

Eine Art Köder, um gezielt Proteinkomplexe aus Mischungen fischen zu können, hat ein interdisziplinäres Team aus Frankfurt und Jena entwickelt. Dank dieses „Köders“ ist das gewünschte Protein wesentlich schneller für die weitere Untersuchung im Elektronenmikroskop verfügbar.

Diese neuartige Schicht aus hauchdünnem molekularen Kohlenstoff taufte das Forschungsteam „smartes Nanoblatt“. Mit Hilfe der Neuentwicklung lassen sich beispielsweise Krankheiten und deren Behandlung mit Medikamenten besser verstehen.

„Mit unserem Verfahren lassen sich innerhalb einer Woche neuartige Proteine aus Mischungen isolieren und charakterisieren“, erklärt Daniel Rhinow vom Frankfurter Max-Planck-Institut für Biophysik. „Bisher war alleine die Isolierung der reinen Proteine oft Teil einer mehrjährigen Doktorarbeit“.

Zusammen mit Andreas Terfort (Goethe-Universität Frankfurt) und Andrey Turchanin (Friedrich-Schiller-Universität Jena) entstand vor einigen Jahren die Idee, die gewünschten Proteine direkt aus Mischungen herauszufischen, indem man ein Nanoblatt mit Erkennungsstellen ausrüstet, an die das Zielprotein bindet.

Nun ist es den Wissenschaftlern gelungen, Proteine dank eines „smarten Nanoblatt“ umgehend für eine Untersuchung im Kryo-Elektronenmikroskop zugänglich zu machen.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie basiert auf dem Schockgefrieren einer Probe bei Temperaturen unter -150 Grad Celsius. Dabei behält das Protein seine Struktur, störende Fixierungs- oder Färbemittel sind nicht nötig, und die Elektronen können das vereiste Objekt leicht durchstrahlen. Es entstehen hochaufgelöste dreidimensionale Aufnahmen kleinster Strukturen – etwa von Viren und DNA, bis fast hinab zur Größenordnung eines Wasserstoffatoms.

Zur Vorbereitung werden die Proteine in einer äußerst dünnen Wasserschicht auf einem winzigen Metallnetz schockgefroren. Bislang mussten die Proben vor einer elektronenmikroskopischen Untersuchung aufwendig und oft unter großen Verlusten gereinigt werden. Nur wenn lediglich eine Sorte von Proteinen in der Wasserschicht gebunden ist, ist die elektronenmikroskopische Untersuchung erfolgreich.

Die Gruppe um Turchanin setzt nun Nanoblätter ein, die lediglich einen Nanometer dünn sind und aus einer vernetzten molekularen selbst-organisierenden Monoschicht bestehen. Dieses Nanoblatt versieht Terforts Arbeitsgruppe mit einem Gelbildner als Grundlage für den zum Gefrieren notwendigen dünnen Wasserfilm.

Daran binden die Forscher eine Erkennungsgruppe (eine spezielle Nitriloessigsäure-Verbindung mit Nickelionen). Das Team um Rhinow nutzt die so präparierten „smarten Nanoblätter“, um gezielt Proteine aus einer Mischung zu fischen.

Sie wurden vorab mit einer Histidin-Kette markiert, mit der sie an die Erkennungsgruppe binden; alle anderen störenden Teilchen lassen sich abspülen. Das Nanoblatt mit dem gebundenen Protein kann anschließend direkt mit dem Elektronenmikroskop untersucht werden.

„Unsere smarten Nanoblätter sind besonders leistungsfähig, weil die Hydrogelschicht den notwendigen dünnen Wasserfilm stabilisiert und gleichzeitig die unspezifische Bindung störender Teilchen unterdrückt,“ erklärt Julian Scherr von der Goethe-Universität.

„Damit kann die molekulare Strukturbiologie nun viel schneller Proteinstrukturen und -funktionen erforschen“. Mit daraus gewonnenen Erkenntnissen lassen sich beispielsweise Krankheiten und deren Behandlung mit Medikamenten besser verstehen.

Das Team hat sich die neuen Nanoblätter patentieren lassen und auch schon einen Hersteller gefunden, der dieses hilfreiche Werkzeug auf den Markt bringen wird.

Publikation: Smart Molecular Nanosheets for Advanced Preparation of Biological Samples in Electron Cryo-Microscopy, ACS Nano 2020, https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03052

Julian Scherr, Zian Tang, Maria Küllmer, Sebastian Balser, Alexander Stefan Scholz, Andreas Winter, Kristian Parey, Alexander Rittner, Martin Grininger, Volker Zickermann, Daniel Rhinow, Andreas Terfort und Andrey Turchanin; Abteilung Strukturbiologie, Max-Planck-Institut für Biophysik, Max-von-Laue-Str. 3, 60438 Frankfurt am Main; Fakultät für Biochemie, Chemie, Pharmazie, Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 7, 60438 Frankfurt am Main; Institut für Physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lessingstr. 10, 07743 Jena

Ein Bild zum Download finden Sie unter: www.uni-frankfurt.de/90123573 

Bildtext: Das neue Nanoblatt-Verfahren: Der zu untersuchende Proteinkomplex (gelb) wird mithilfe einer Markierung (rote Kette mit Fünfecken) über einen Nickelkomplex an das smarte Nanoblatt gebunden. Unerwünschte Proteine (grau) werden durch das Hydrogel (schwarzes Geflecht) abgestoßen. Nach dem Einfrieren des gesamten Gebildes inklusive eines dünnen Wasserfilms kann es mit Elektronen durchleuchtet werden, um Bilder der gebundenen Proteine zu erhalten. Daraus kann ein Computer die 3D-Struktur des Proteins berechnen.

Informationen: Univ.-Prof. Dr. Andreas Terfort, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, Telefon +49-69-798-29181, E-Mail aterfort@chemie.uni-frankfurt.de, https://www.uni-frankfurt.de/53459866/terfort

Univ.-Prof. Dr. Andrey Turchanin, Institut für Physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lessingstr. 10, 07743 Jena, andrey.turchanin@uni-jena.de,, +49-3641-48370, www.apc.uni-jena.de

Univ.-Prof. Dr. Andreas Terfort, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, Telefon +49-69-798-29181, E-Mail aterfort@chemie.uni-frankfurt.de, https://www.uni-frankfurt.de/53459866/terfort

Smart Molecular Nanosheets for Advanced Preparation of Biological Samples in Electron Cryo-Microscopy, ACS Nano 2020, https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03052

Media Contact

Dr. Anke Sauter idw - Informationsdienst Wissenschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung

Aktuelle Meldungen und Entwicklungen aus fächer- und disziplinenübergreifender Forschung.

Der innovations-report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Mikrosystemforschung, Emotionsforschung, Zukunftsforschung und Stratosphärenforschung.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Durchleuchten im Nanobereich

Physiker der Universität Jena entwickeln einen der kleinsten Röntgendetektoren der Welt Ein Röntgendetektor kann Röntgenstrahlen, die durch einen Körper hin­durchlaufen und nicht von ihm absorbiert werden, aufnehmen und somit ein…

Wer hat das Licht gestohlen?

Selbstinduzierte ultraschnelle Demagnetisierung limitiert die Streuung von weicher Röntgenstrahlung an magnetischen Proben.   Freie-Elektronen-Röntgenlaser erzeugen extrem intensive und ultrakurze Röntgenblitze, mit deren Hilfe Proben auf der Nanometerskala mit nur einem…

Mediterrane Stadtentwicklung und die Folgen des Meeresspiegelanstiegs

Forschende der Uni Kiel entwickeln auf 100 Meter genaue Zukunftsszenarien für Städte in zehn Ländern im Mittelmeerraum. Die Ausdehnung von Städten in niedrig gelegenen Küstengebieten nimmt schneller zu als in…

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close