Neues fluoreszentes Markerprotein erlaubt dynamische Untersuchungen an Zellen und Organismen Protein mit doppeltem Lichtschalter entwickelt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neues fluoreszentes Markerprotein erlaubt dynamische Untersuchungen an Zellen und Organismen

Protein mit doppeltem Lichtschalter entwickelt

Detaillierte Einblicke: Die Collage zeigt das Markerprotein mIrisFP (oben rechts in so genannter Cartoon-Darstellung) sowie Details einer Zelle in normaler optischer Auflösung (außen) und in Höchstauflösung (Mitte). © Jochen Fuchs

Ein neues fluoreszentes Markerprotein haben jetzt Karlsruher Forscher entwickelt: Bei dem photoaktivierbaren Eiweiß „mIrisFP“ lässt sich sowohl das Fluoreszenzlicht ein- und ausschalten als auch die Farbe des Lichts von grün nach rot verändern. Das Protein erlaubt dynamische Untersuchungen an Zellen und Organismen und eröffnet der zellbiologischen und molekularmedizinischen Forschung neue Möglichkeiten, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Methods“.

Fluoreszente Proteine strahlen einfallendes Licht effizient wieder ab und machen dadurch Proteine in lebenden Zellen sichtbar. Als genetisch kodierte Fluoreszenzmarker lassen sie sich für Experimente in den Lebenswissenschaften vielfältig einsetzen: Wird das Gen eines bestimmten Proteins um die Erbinformation (DNA-Sequenz) für das fluoreszierende Protein erweitert, produziert die Zelle ein so genanntes Fusionsprotein, das durch ein charakteristisches Fluoreszenzleuchten zu erkennen ist.

Naturformen für biotechnologische Anwendungen ungeeignet

Zunächst war nur das grün fluoreszierende Protein (GFP) einer pazifischen Qualle bekannt. In den vergangenen Jahren entdeckte die Forschung jedoch fluoreszierende Proteine in weiteren wirbellosen Meerestieren und identifizierte unter anderem auch photoaktivierbare Proteine, deren Fluoreszenz sich durch Lichteinstrahlung gezielt steuern lässt. Die Naturformen dieser Proteine eignen sich allerdings nicht für biotechnologische Anwendungen; sie müssen dafür aufwändig optimiert werden. Bisher ließ sich bei solchen Markerproteinen entweder die Fluoreszenz ein- und ausschalten oder aber die Farbe des Lichts verändern.

Die Forschergruppe um Gerd Ulrich Nienhaus am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Ulm, der University of Southampton in England und der University of Illinois/USA ein als „mIrisFP“ bezeichnetes Markerprotein entwickelt. Es zeichnet sich durch die Kombination von zwei durch Licht steuerbaren Aktivierungsmodi aus: eine nicht umkehrbare Photokonversion von grün nach rot und eine umkehrbare Ein- und Ausschaltbarkeit der Fluoreszenz. Zudem ist mIrisFP monomer, das heißt es besteht aus nur einer Einheit, so dass es nicht zur Bildung von Proteinmolekülkomplexen kommt.

Exzellente Eigenschaften für lebenswissenschaftliche Nutzung

„Dadurch besitzt mIrisFP exzellente Eigenschaften für lebenswissenschaftliche Anwendungen“, erklärt Nienhaus. „Besonders spannend sind sind dynamische Untersuchungen an lebenden Zellen und Organismen.“ Durch gezielte Lichteinstrahlung können bestimmte Zellen in frühen Embryonalstadien von Modellorganismen markiert und über Tage und Wochen hinweg verfolgt werden. Gezielte Markierungen von Zellkompartimenten werden mit Signalpeptiden erreicht, die über gentechnische Modifikation auf DNA-Ebene an das fluoreszierende Protein angehängt werden.

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Besonders wichtig sind die erwähnten Fusionskonstrukte eines fluoreszenten Markerproteins mit einem zu untersuchenden Protein, um dieses sichtbar zu machen. Photoaktivierbare fluoreszente Proteine spielen außerdem eine Schlüsselrolle in der höchstauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, so die Forscher.

Physikalische Grenze überwunden

Mit mIrisFP lassen sich Abbildungen von Zellen mit räumlichen Auflösungen von 20 bis 30 Nanometern herstellen – weit unterhalb der Abbeschen Auflösungsgrenze von rund 200 Nanometern, die lange als physikalische Grenze galt und genauere Einblicke in die molekularen Prozesse in der lebenden Zelle verhinderte.

In der Fachzeitschrift „Nature Methods“ stellt das Forscherteam das neue Markerprotein vor und untersucht mit höchstauflösender Photoaktivierungs-Lokalisationsmikroskopie (PALM) molekulare Prozesse bei der Bewegung einer menschlichen Krebszelle. So lässt sich nach Angaben der Wissenschaftler verfolgen, wie bestimmte mit mIrisFP sichtbar gemachte Proteine in einem Bereich der Zelle entfernt werden, um anschließend in einem anderen Bereich der Zelle wiederum in neue Strukturen eingebaut zu werden.

(idw – Karlsruher Institut für Technologie, 06.07.2010 – DLO)

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