Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Methode gibt ‚lebensnahe‘ Einblicke in zelluläre Prozesse

01.07.2016

Veröffentlichung in „Angewandte Chemie“

Proteine sind die Grundbausteine allen Lebens auf der Erde und spielen eine entscheidende Rolle bei fast allen Prozessen, die in den Zellen von Organismen stattfinden.


Erstmals wurden Signale eines ausgewählten Proteins direkt in einer aus Bakterienzellen gewonnener Lösung gemessen.

Institut für Physikalische Biologie


Neuartiges DNP-verstärktes Hochfeld-NMR-Spektrometer

Forschungszentrum Jülich

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Dr. Manuel Etzkorn am Institut für Physikalische Biologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat nun ein Verfahren entwickelt, mit denen die Strukturen und Interaktionen der Bio-Moleküle unter wesentlich natürlicheren Bedingungen als bisher sichtbar gemacht werden können. Damit ermöglicht die Methode neuartige Einblicke in biologische Systeme.

Die Forscher nutzten hierfür ein neuartiges NMR-Spektrometer des Biomolekularen NMR-Zentrums auf dem Campus des Forschungszentrums Jülich. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie (International Edition) veröffentlicht und durch Erscheinen auf der innenliegenden Titelseite hervorgehoben.

Winzige Proteinmoleküle verrichten so gut wie alle Aufgaben in unseren Zellen, können bei Fehlfunktionen aber auch schwere Krankheiten wie die Alzheimer-Demenz oder Krebs auslösen. Um die komplexen dreidimensionalen Strukturen dieser Moleküle in atomarem Detail aufzuklären, nutzen Forscher Verfahren wie die Nuklearmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR). Dabei werden die Atomkerne in einem starken Magnetfeld so angeregt, dass sie ein schwach messbares Signal aussenden, aus denen sich die Position jedes einzelnen Atoms im Molekül ableiten lässt.

Das Verfahren ist eigentlich prädestiniert dazu, das Verhalten von Proteinen unter natürlichen Bedingungen zu beobachten. Eine Limitierung führte bis jetzt allerdings dazu, dass NMR-Messungen so ganz „lebensnah“ dann doch nicht waren: Denn im Plasma lebender Zellen sind Proteine von zahllosen anderen Molekülen umgeben.

Im Spektrometer erzeugen diese jedoch ein Hintergrundrauschen, in dem die feinen Signale des Zielproteins untergehen. Bisher benötigen NMR-Forscher deshalb möglichst pure Proben aus künstlich gereinigtem und hochkonzentriertem Protein.

„Die Proteine werden in aller Regel aus ihrer natürlichen Umgebung herausgenommen, was nicht nur ein aufwendiger Prozess ist, sondern auch zu verfälschten Einblicken führen kann“, sagt Dr. Manuel Etzkorn. Der Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am Düsseldorfer Institut für Physikalische Biologie arbeitet mit seinem Team an neuen Möglichkeiten, um das Potenzial der NMR-Methode für die biologische Forschung noch besser nutzbar zu machen.

Gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Molekulare Physiologie in Dortmund sowie der Universitäten Amsterdam und Sofia haben die Forscher nun ein neues Verfahren entwickelt, das das Problem der verrauschten Signale elegant löst. Es gelang ihnen, das NMR-Signal eines Zielproteins in einer direkt aus einer Bakterienzellkultur gewonnenen Lösung um ein Vielfaches und dazu noch sehr selektiv zu verstärken.

Der Großteil der Forschung fand dabei am Biomolekularen NMR-Zentrum auf dem Gelände des Forschungszentrums Jülich statt, einem der führenden NMR-Zentren in Deutschland. Es wird gemeinsam durch das Düsseldorfer Institut für Physikalische Biologie und das Jülicher Institute of Complex Systems (ICS-6) betrieben.

Die Wissenschaftler konnten dort ein neuartiges DNP-verstärktes NMR-Spektrometer einsetzen, bei dem das Spektrometer mit einem Mikrowellengenerator verbunden ist. Dieser regt Elektronen von speziellen, von den Forschern zu diesem Zweck modifizierten Molekülen in der Probe an, die ausschließlich an das Zielprotein binden. Die Anregung der Elektronen überträgt sich dabei auf die Atomkerne des Proteins und führt zu einer enormen Verstärkung des Signals.

Damit lassen sich Daten selbst aus Proben gewinnen, in denen nur geringe Konzentrationen des Proteins in Mischung mit anderen Molekülen vorliegen. Ausgewählte Proteine können also unter Bedingungen, die denen in lebenden Zellen deutlich besser entsprechen, mit atomarer Auflösung untersucht werden. Das vereinfacht nicht nur die Probenherstellung, da aufwändige Schritte zur Protein-Aufreinigung entfallen, sondern ermöglicht auch, die Einflüsse der natürlichen Umgebung besser zu verstehen.

„Die zielgerichtete Verstärkung von Proteinsignalen bietet eine Vielzahl spannender Anwendungen im Bereich der zellulären Strukturbiologie und hat das Potenzial, neuartige Einblicke in komplexe biologische Prozesse zu ermöglich“, sagt Dr. Etzkorn.

„Die Entwicklung neuer Methoden für die Strukturbiologie ist Schwerpunkt der Forschung des Biomolekularen NMR-Zentrums“, erklärt Prof. Dr. Dieter Willbold, Leiter des Zentrums und Direktor des Düsseldorfer Instituts für Physikalische Biologie und des Jülicher ICS-6. „Das neue Verfahren ist hierzu ein wichtiger Beitrag, der viele neue Möglichkeiten eröffnet.“

Originalpublikation:
Thibault Viennet, Aldino Viegas, Arne Kuepper, Sabine Arens, Vladimir Gelev, Ognyan Petrov, Tom N. Grossmann, Henrike Heise, Manuel Etzkorn: Selective Protein Hyperpolarization in Cell Lysates Using Targeted Dynamic Nuclear Polarization Angew Chem Int Ed 2016 June 28.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201603205/full

Terminhinweis:

Derzeit bereiten die Wissenschaftler um Heise, Etzkorn und Willbold eine der größten NMR-Tagungen im deutschsprachigen Raum vor. Im September 2016 werden dafür hunderte internationale NMR-Forscher für drei Tage an die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf kommen.
Weitere Informationen unter:
http://www.fknmr.hhu.de/fgmr-2016/fgmr-discussion-meeting-2016.html

Ansprechpartner:

Dr. Manuel Etzkorn
Institut für Physikalische Biologie
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Tel.: +49 211 81-12023
Email: manuel.etzkorn@hhu.de

Prof. Dr. Dieter Willbold
Institute of Complex Systems, Strukturbiochemie (ICS-6)
Forschungszentrum Jülich/
Institut für Physikalische Biologie
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Tel.: 02461 61 2100
Email: d.willbold@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

https://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/ipb/team?index=1721
http://www.uni-duesseldorf.de/home/infocenter-hhu/aktuell/pressemitteilungen/pre...
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/ICS/ICS-6/DE/DNP-NMR.html

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Hepatitis C-Viren erfolgreich ausschalten
25.03.2019 | Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

nachricht Molekulares Doping
25.03.2019 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochdruckwasserstrahlen zum flächigen Materialabtrag von hochfesten Werkstoffen erprobt

Beim Fräsen hochfester Werkstoffe wie Oxidkeramik oder Sondermetalle – und besonders bei der Schruppbearbeitung – verschleißen Werkzeuge schnell. Für Unternehmen ist die Bearbeitung dieser Werkstoffe deshalb mit hohen Kosten verbunden. Im Projekt »HydroMill« hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen mit seinen Projektpartnern nun gezeigt, dass sich der Hochdruckwasserstrahl zum flächigen Materialabtrag von hochfesten Werkstoffen eignet. War der Einsatz von Wasserstrahlen bislang auf die Schneidbearbeitung beschränkt, zeigen die Projektergebnisse, wie sich hochfeste Werkstoffe kosten- und ressourcenschonender als bisher flächig abtragen lassen.

Diese neue und zur konventionellen Schruppbearbeitung alternative Anwendung der Wasserstrahlbearbeitung untersuchten die Aachener Ingenieure gemeinsam mit...

Im Focus: Die Zähmung der Lichtschraube

Wissenschaftler vom DESY und MPSD erzeugen in Festkörpern hohe-Harmonische Lichtpulse mit geregeltem Polarisationszustand, indem sie sich die Kristallsymmetrie und attosekundenschnelle Elektronendynamik zunutze machen. Die neu etablierte Technik könnte faszinierende Anwendungen in der ultraschnellen Petahertz-Elektronik und in spektroskopischen Untersuchungen neuartiger Quantenmaterialien finden.

Der nichtlineare Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in Gasen ist einer der Grundsteine der Attosekundenwissenschaft (eine Attosekunde ist ein...

Im Focus: The taming of the light screw

DESY and MPSD scientists create high-order harmonics from solids with controlled polarization states, taking advantage of both crystal symmetry and attosecond electronic dynamics. The newly demonstrated technique might find intriguing applications in petahertz electronics and for spectroscopic studies of novel quantum materials.

The nonlinear process of high-order harmonic generation (HHG) in gases is one of the cornerstones of attosecond science (an attosecond is a billionth of a...

Im Focus: Magnetische Mikroboote

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie z.B. zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der...

Im Focus: Magnetic micro-boats

Nano- and microtechnology are promising candidates not only for medical applications such as drug delivery but also for the creation of little robots or flexible integrated sensors. Scientists from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) have created magnetic microparticles, with a newly developed method, that could pave the way for building micro-motors or guiding drugs in the human body to a target, like a tumor. The preparation of such structures as well as their remote-control can be regulated using magnetic fields and therefore can find application in an array of domains.

The magnetic properties of a material control how this material responds to the presence of a magnetic field. Iron oxide is the main component of rust but also...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung 2019 für Nuklearmedizin in Bremen

21.03.2019 | Veranstaltungen

6. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztage vom 25. bis 26.3. 2019

21.03.2019 | Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Nieten, schrauben, kleben im Flugzeugbau: Smarte Mensch-Roboter-Teams meistern agile Produktion

25.03.2019 | HANNOVER MESSE

Auf der Suche nach der verschwundenen Antimaterie: Messungen mit Belle II erfolgreich gestartet

25.03.2019 | Physik Astronomie

HEIDENHAIN auf der CONTROL 2019: Belastbare Systeme für mehr Genauigkeit und Zuverlässigkeit

25.03.2019 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics