Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Verbotene FRET-Zustände auf hauchdünnem Gold

10.04.2018

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) sind die wichtigsten Zielmoleküle für die Arzneiforschung. Wissenschaftlern der Universität Würzburg und des Universitätsklinikums Jena ist es jetzt durch moderne Mikroskopieverfahren gelungen, die Aktivierung dieser Rezeptoren detaillierter zu untersuchen. Die Verstärkung des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET) durch den Einsatz speziell beschichteter Deckgläser war der Schlüssel dazu.

Diese neue Methode könnte sowohl Einzelzellmessungen zu mehr Präzision verhelfen, als auch Hochdurchsatz-Screenings optimieren, welche für die Medikamentenentwicklung eine große Rolle spielen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Photonics veröffentlicht.


Goldbeschichtung von wenigen Nanometern kann ein sonst herkömmliches Deckglas in Verstärker verwandeln. Die Beschichtung ist biokompatibel und für die Kultivierung von adhärenten Zellen geeignet.

Rudolf-Virchow-Zentrum


Auf beschichteten Deckgläsern kann um 62% erhöhte dynamische FRET-Antwort zwischen den inaktiven und aktiven Zuständen beobachtet werden.

Rudolf-Virchow-Zentrum

Will man die Konformationsänderung oder Interaktion von Membranrezeptoren in lebenden Zellen beobachten, sind lichtmikroskopische Verfahren oft die Methode der Wahl. Ein Phänomen, was das Auslesen dieser Änderungen und Interaktionen erlaubt, ist der sogenannte Förster-Resonanzenergietransfer (FRET). Dieser erscheint immer dann, wenn sich zwei Fluorophore mit geeigneten spektralen Eigenschaften räumlich sehr nah kommen, und in korrekter Orientierung zueinander stehen.

Jedes Photon zählt

FRET dient als molekulares Lineal zwischen zwei Molekülen oder molekularen Kompartimenten. Die Methode ist leistungsstark, hat aber oft durch die begrenzte Anzahl der emittierten Photonen ihre Grenzen. Es macht das Design und die Etablierung eines entsprechenden FRET-Paares schwierig und fehleranfällig. In biologischen Untersuchungen ist es besonders schwierig, die Nähe und Orientierung der Fluorophore zu optimieren, ohne die physiologischen Eigenschaften des molekularen Komplexes zu stören.

Spiegeleffekt erlaubt „verbotene“ Zustände

Die Forscherteams der Professorin Katrin Heinze und des Professors Carsten Hoffmann haben nun die Hürden für die Nutzung der FRET Methode gesenkt. Die Forschungsgruppen haben nanobeschichtete Deckgläser verwendet, die mit speziellen Goldbeschichtungen versehen sind. Diese biokompatiblen Deckgläser bewirken eine Verstärkung des Energieübertrags, besonders für suboptimal orientierte FRET-Paare. Dies geschieht unter anderem dadurch, dass das FRET-Paar durch die Goldbeschichtung sich selbst im Spiegel „sieht“.

Dadurch stehen komplementäre Orientierungen für den Energieübertrag zur Verfügung, die den „Netto“-FRET erhöhen. Der Spiegeleffekt erlaubt also die Abfrage sonst „verbotener“ Zustände für FRET. Physikalisch bezeichnet man diesen Effekt als Depolarisation, hervorgerufen durch das komplexe Reflexionsverhalten des FRET-Paares nahe der Goldoberfläche.

Lange Zeit war es unter Physikern umstritten, ob es eine ausreichend starke FRET Erhöhung geben kann; dabei wurde die Orientierung der Moleküle nie ausreichend beachtet. Neueste theoretische und experimentelle Arbeiten an physikalischen Systemen gaben aber Anlass, die Möglichkeit der FRET-Verstärkung nochmal aufzugreifen.

„Diskussionen mit anderen Experten im Forschungsfeld stimmten uns zunächst nur vorsichtig optimistisch. Unsere Simulationen für den FRET Sensor des M1-Acetylcholin-Rezeptors zeigten allerdings, dass eine FRET-Verstärkung sehr wahrscheinlich ist. Die Experimente bestätigten schließlich in der Tat genau unsere Vorhersagen. So entstand unser „forbiddenFRET (forFRET)“, sagt Katrin Heinze. Carsten Hoffmann fügt hinzu: „ Diese Technologie ist zwar erst ganz am Anfang, aber sie hat großes Potential die Untersuchungen von GPCR Aktivierungen und Interaktionen in Zukunft noch exakter zu gestalten.“

Publikation

Schreiber, Benjamin; Kauk, Michael; Heil, Hannah; Emmerling, Monika; Tessmer, Ingrid; Kamp, Martin; Höfling, Sven; Holzgrabe, Ulrike; Hoffmann, Carsten; Heinze, Katrin: Enhanced fluorescence resonance energy transfer in G protein-coupled receptor probes by nano-coated microscopy coverslips; ACS Photonics, March 2018, DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00072

Personen

Prof. Dr. Katrin Heinze leitet seit 2011 eine Forschungsgruppe am Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg. Seit 2017 ist sie Universitätsprofessorin für Molekulare Mikroskopie.
Website: http://www.rudolf-virchow-zentrum.de/forschung/arbeitsgruppen/ag-heinze/forschun...

Prof. Dr. Carsten Hoffmann war von 2012 bis April 2017 Forschungsgruppenleiter am Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg. Seit April 2017 ist er Direktor des Instituts für Molekulare Zellbiologie am Universitätsklinikum Jena. Website: http://www.zellbiologie.uniklinikum-jena.de/Startseite.html

Über das Rudolf-Virchow-Zentrum

Das Rudolf-Virchow-Zentrum gehört als Zentrale Einrichtung zur Universität Würzburg. Die Forschungsgruppen arbeiten auf dem Gebiet der Schlüsselproteine, die für die Funktion von Zellen und damit für Gesundheit und Krankheit besonders wichtig sind.

Kontakt:
Prof. Dr. Katrin Heinze (Molekulare Mikroskopie, Rudolf-Virchow-Zentrum)
Tel. +49 (0)931 31 84214, katrin.heinze@virchow.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Carsten Hoffmann (Institut für Molekulare Zellbiologie, Universitätsklinikum Jena)
Tel. +49 (0)3641 9395601, carsten.hoffmann@med.uni-jena.de

Dr. Daniela Diefenbacher (Pressestelle, Rudolf-Virchow-Zentrum)
Tel. 0931 3188631, daniela.diefenbacher@uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

http://www.rudolf-virchow-zentrum.de/aktuelles/aktuelles-details/article/verbote...

Dr. Daniela Diefenbacher | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erstmals Nachglühen eines Gammablitzes im höchstenergetischen Gammalicht beobachtet
21.11.2019 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Forscherteam entdeckt erstmals drei supermassereiche Schwarze Löcher im Kern einer Galaxie
21.11.2019 | Georg-August-Universität Göttingen

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: Neuartiges Antibiotikum gegen Problemkeime in Sicht

Internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Gießen entdeckt neuen Wirkstoff gegen gramnegative Bakterien – Darobactin attackiert die Erreger an einem bislang unbekannten Wirkort

Immer mehr bakterielle Erreger von Infektionskrankheiten entwickeln Resistenzen gegen die marktüblichen Antibiotika. Typische Krankenhauskeime wie Escherichia...

Im Focus: Machine learning microscope adapts lighting to improve diagnosis

Prototype microscope teaches itself the best illumination settings for diagnosing malaria

Engineers at Duke University have developed a microscope that adapts its lighting angles, colors and patterns while teaching itself the optimal...

Im Focus: Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben nun entdeckt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Diese Nano-Moleküle bieten eine Reihe essentieller Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Materialien, die die Mikroskopie-Technik noch vielfältiger einsetzbar machen.

Mikroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode in der Physik, Biologie, Medizin und vielen anderen Wissenschaften. Sie hat jedoch einen Nachteil: Ihre...

Im Focus: Small particles, big effects: How graphene nanoparticles improve the resolution of microscopes

Conventional light microscopes cannot distinguish structures when they are separated by a distance smaller than, roughly, the wavelength of light. Superresolution microscopy, developed since the 1980s, lifts this limitation, using fluorescent moieties. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now discovered that graphene nano-molecules can be used to improve this microscopy technique. These graphene nano-molecules offer a number of substantial advantages over the materials previously used, making superresolution microscopy even more versatile.

Microscopy is an important investigation method, in physics, biology, medicine, and many other sciences. However, it has one disadvantage: its resolution is...

Im Focus: Mit künstlicher Intelligenz zum besseren Holzprodukt

Der Empa-Wissenschaftler Mark Schubert und sein Team nutzen die vielfältigen Möglichkeiten des maschinellen Lernens für holztechnische Anwendungen. Zusammen mit Swiss Wood Solutions entwickelt Schubert eine digitale Holzauswahl- und Verarbeitungsstrategie unter Verwendung künstlicher Intelligenz.

Holz ist ein Naturprodukt und ein Leichtbauwerkstoff mit exzellenten physikalischen Eigenschaften und daher ein ausgezeichnetes Konstruktionsmaterial – etwa...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage 2020: „Mach es einfach!“

18.11.2019 | Veranstaltungen

Humanoide Roboter in Aktion erleben

18.11.2019 | Veranstaltungen

1. Internationale Konferenz zu Agrophotovoltaik im August 2020

15.11.2019 | Veranstaltungen

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

Sichere Datenübertragung mit Ultraschall am Handy: neue Methode zur Nahfeldkommunikation

21.11.2019 | Kommunikation Medien

Rasante Entstehung von Antibiotikaresistenzen im Behandlungsalltag

21.11.2019 | Medizin Gesundheit

Gesundheits-App als Fitness-Coach für Familien

21.11.2019 | Kommunikation Medien

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