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Sonntag, 28.05.2017
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Zelle: Reaktionen langsamer als erwartet

Optisches Verfahren misst erstmals molekulare Reaktionszeiten im Inneren von Zellen

Reaktionen in unseren Zellen laufen manchmal langsamer ab, als vermutet – und manchmal schneller. Wie hochselektiv die Reaktionszeiten bei zellulären Prozessen sind, haben nun Forscher erstmals durch ein raffiniertes Messverfahren herausgefunden. Mit ihm können zukünftig auch Daten aus lebenden Zellen in Modelle einfließen und so möglicherweise helfen, Krankheiten besser zu erforschen.
Zelle

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Die Moleküle in unseren Zellen bilden ein komplexes Netzwerk aus Wechselwirkungen, deren zeitliche Abläufe bislang nicht oder nur zum Teil gemessen werden konnten. Biologen untersuchen stattdessen meist die Geschwindigkeit einzelner molekularer Reaktionen außerhalb der Zelle. Fraglich ist aber, wie aussagekräftig diese Analysen sind, weil die Moleküle der Zelle in meist höherer Konzentration vorliegen und alle Interaktionen gleichzeitig ablaufen. Ob diese Unterschiede tatsächlich eine Rolle spielen, und wenn ja welche, haben nun Wissenschaftler der Ludwigs-Maximilians-Universität München (LMU) untersucht.

DNA-Kopplung als Modellreaktion


Ein Team um den LMU-Biophysiker Professor Dieter Braun analysierte dafür mit einem optischen Verfahren die Reaktionszeiten für die Kopplung zweier Stränge des Erbmoleküls DNA direkt in der Zelle. Die Doppelhelix des Erbmoleküls DNA entsteht, wenn sich zwei Einzelstränge aneinanderlagern. In der Studie brachten das Forscherteam zwei zusammengehörende DNA-Stränge in eine Zelle ein und analysierte die Geschwindigkeit deren Kopplung und Entkopplung. Dazu mussten sie zu indirekten Methoden greifen.

Fluoreszenz und Laser erfassen Reaktionszeit


Zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit erzeugten sie mit einem infraroten Laser Temperaturschwingungen verschiedener Frequenzen in der Zelle und erfassten gleichzeitig die Konzentration der Reaktionspartner. Dazu versetzten die Forscher beide DNA-Stränge mit Fluoreszenzfarbstoffen, die nur dann Energie übertrugen, wenn beide Stränge gekoppelt waren. Mit diesem Verfahren lassen sich Konzentrationsänderungen in der Zelle mit einer räumlichen Auflösung von etwa 500 Nanometer direkt sichtbar machen.


Die Reaktionszeit ergab sich indirekt aus der Kombination von Konzentrationen und der Schwingung der Temperaturen. War die Frequenz langsamer als die Reaktionszeit, folgten die gemessenen Konzentrationen der Temperaturschwingung. War sie schneller, so zeigten die Konzentrationen gegenüber dem Temperaturverlauf eine zeitliche Phasenverschiebung.

Überraschung: Zelle ist nicht immer schneller


Das Ergebnis war überraschend: „Wir hatten erwartet, in der Zelle schnellere Reaktionen zu finden", so Braun. „Die Kopplung lief aber abhängig von der Länge des DNA-Stranges manchmal sogar langsamer ab als außerhalb der Zelle." Sie stellten fest, dass DNA-Stränge, die aus 16 Basen-Bausteinen bestehen, im Vergleich zu extern gemessenen Werten in der Zelle etwa siebenmal schneller reagierten, wogegen die Reaktionsgeschwindigkeiten von 12-basiger DNA fünfmal niedriger lagen als außerhalb der Zelle.

Dieses Ergebnis widerspricht der bislang vorherrschenden Vermutung, dass molekulare Reaktionen in Zellen wegen der dort vorliegenden hohen Konzentrationen grundsätzlich schneller ablaufen sollten als im Labor. „Offensichtlich modulieren Zellen die Reaktionsgeschwindigkeiten auf hochselektive Art und Weise" sagt Braun. Mit Hilfe dieser Methode können nun auch Daten aus lebenden Zellen in Modelle einfließen, die komplexe Vorgänge in biologischen Zellen abbilden - und möglicherweise helfen, Krankheiten zu erforschen. Die Forscher wollen nun eine größere Bandbreite molekularer Reaktionen in lebenden Zellen vermessen.

Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) online veröffentlicht.
(Ludwig-Maximilians-Universität München, 30.12.2009 - NPO)
 
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