Vermessung der Nanowelt

Veröffentlichung in Nature Methods

06.09.2018 – Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung von 20 Laboren etablierte einen Maßstab zur genauen Bestimmung von Abständen innerhalb einzelner Moleküle. Von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Claus Seidel vom Lehrstuhl für Molekulare Physikalische Chemie maßgeblich an der Studie beteiligt, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Methods veröffentlicht wurde.

Die Forscher etablierten und standardisierten eine Methode, um exakte Abstände innerhalb einzelner Biomolekülen bis auf einen Nanometer (1 Nanometer = 10-9Meter) genau zu vermessen. Dies entspricht einem Millionstel der Breite eines menschlichen Haares. Die neue Methode stellt eine wesentliche Verbesserung einer Technologie namens „Einzelmolekül-FRET“ (Förster Resonanz Energie Transfer) dar, bei der die Bewegung und Wechselwirkung von fluoreszenzmarkierten Molekülen auch in lebenden Zellen in Echtzeit überwacht werden kann. Bisher wurde die Technologie hauptsächlich zur Untersuchung von Veränderungen relativer Abstände verwendet werden – also um festzustellen, ob sich Moleküle angenähert oder weiter voneinander entfernt haben.

FRET funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie die Annäherungssensoren im Auto: Je näher das Objekt ist, desto lauter oder häufiger werden die Pieptöne. Statt auf Akustik zu setzen, basiert FRET auf abstandsabhängigen Änderungen des Lichts der von zwei Farbstoffen emittierten Fluoreszenz. Dieses Licht wird mithilfe empfindlicher Mikroskope detektiert. Die Technologie revolutioniert die Analyse der Bewegung und Interaktionen von Biomolekülen in lebenden Zellen.

Prof. Dr. Claus Seidel leitete die Studie gemeinsam mit Prof. Dr. Thorsten Hugel (Universität Freiburg), Dr. Tim Craggs (University of Sheffield), und Prof. Dr. Jens Michaelis (Universität Ulm) leitete. Die Forscher stellten sich vor, dass nach der Etablierung eines FRET-Standards unbekannte Entfernungen mit großer Sicherheit ermittelt werden können. Durch die Zusammenarbeit von 20 Laboren wurde die Methode so verfeinert, dass Wissenschaftler mit verschiedenen Mikroskopen und unterschiedlicher Analysesoftware die gleichen Abstandstände auch im Subnanometerbereich erhielten. Neben der Vermessung der DNS-basierten Standardmoleküle für FRET, führte die Arbeitsgruppe von Prof. Seidel die Computersimulationen zur Interpretation der Fluoreszenzdaten durch.

„Die absolute Abstandsinformation, die mit dieser Methode gewonnen werden kann, ermöglicht es uns nun, Konformationen in beweglichen Biomolekülen präzise zuzuordnen oder sogar deren Strukturen zu bestimmen,“ sagt Seidel. Solche dynamischen Strukturinformationen sind wichtig, um die molekulare Maschinerie, die die Grundlage des Lebens ist, besser zu verstehen.

Originalpublikation

Björn Hellenkamp, Sonja Schmid, et int., Jens Michaelis, Claus A.M. Seidel, Timothy D. Craggs, Thorsten Hugel, „Precision and accuracy of single-molecule FRET measurements – a multi-laboratory benchmark study“, Nature Methods 15, 669-676 (2018)

DOI: 10.1038/s41592-018-0085-0

Redaktion / Dr.rer.nat. Arne Claussen
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