Die Forscher modifizierten ein hochauflösendes Fluoreszenzmikroskopieverfahren, um die Bewegungen von Motorproteinen genau zu verfolgen. Die Fantasie eines Wissenschaftlers besteht darin, Proteine in Aktion zu sehen, sei es ein Enzym, das sich eng um sein Substrat wickelt, oder ein Motorprotein, das über das Zytoskelett konkurriert. Es gibt jedoch keine Werkzeuge, um diese winzigen Bewegungen von nur wenigen Nanometern zu visualisieren.
Stattdessen befestigen sie das Protein normalerweise an einer Perle, die unter einem Mikroskop gut sichtbar ist, und beobachten die Bewegung der Perle. Aber das sperrige Objekt, viel größer als das Protein, kann es schwierig machen, es zu bewegen. Laut Stefan Hell, einem Biophysiker am Max-Planck-Institut in Deutschland, „lässt dies Raum für Zweifel“.
Fluoreszenzmikroskop
Hell hat 2016 eine Art Fluoreszenzmikroskop mit Nanometer-Empfindlichkeit entwickelt, um Proteine zu überwachen. Das MINFLUX-Instrument funktioniert, indem es ein Protein an einen kleinen organischen Fluorophor anheftet und den Komplex dann mit einem ringförmigen Laserstrahl bestrahlt. Der Fluorophor leuchtet auf, wenn das Protein irgendwo unterhalb des Rings vorhanden ist. Wenn der Laser jedoch genau auf das Protein im dunklen Kern des Rings zielt, leuchtet es nicht und lässt die Forscher wissen, dass sie es gefunden haben. Seitdem wurden andere Makromoleküle und Proteine, aus denen der Kernporenkomplex besteht, mithilfe des Nanoskops effektiv sichtbar gemacht.
Nun wird eine verbesserte Version von MINFLUX mit besserer räumlich-zeitlicher Auflösung in einem Artikel beschrieben, der am 10. März in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde. Anstelle eines Donut-förmigen Lasers verwendet das Mikroskop lineare Strahlen, die Bewegungen auf einem geraden Weg aufzeichnen. Mit dieser Methode konnte Hells Team die Bewegung des Motorproteins Kinesi, das seinen charakteristischen Gang entlang der Länge eines Mikrotubulus macht, identifizieren und fluoreszierend verfolgen.
Kinesin spielt eine Schlüsselrolle bei der Frachtbewegung entlang Mikrotubuli-Schienen, die unsere Zellen auskleiden, einschließlich Neurotransmitter-haltiger Vesikel. Kinesin bewegt sich durch "Schritte" mit zwei Sätzen von fußähnlichen Köpfen, die entlang Mikrotubuli verschoben werden, und wird durch die Spaltung von ATP angetrieben.
Die Drehung des Stiels des Proteins führte die Forscher zu der Entdeckung, dass sich Kinesin in einem abwechselnden Muster aus langen und kurzen Schritten chaotisch entlang der Mikrotubuli bewegt. Sie zeigten auch, dass nur eine der beiden Kopfgruppen von ATP auf dem Mikrotubulus lokalisiert sein muss, damit das Protein an den Mikrotubulus bindet. Die Frage, ob ATP in einem zweiköpfigen Zustand bindet, also mit beiden Kopfgruppen fest eingesetzt, oder in einem einköpfigen Zustand, bei dem ein Kopf von den Mikrotubuli entfernt ist, hat die Forscher in der Vergangenheit gespalten. Aber die neue Studie "löst das Problem", sagt der Biophysiker Devarajan Thirumalai von der University of Texas at Austin, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Das neue Gerät dient nicht nur der Messung von Konformationsänderungen von Motorproteinen; Es kann auch ein nützliches Werkzeug sein, um Veränderungen in anderen Biomolekülen zu messen. Durch ein besseres Verständnis der Proteindynamik können Forscher auch neue Wirkstoffbindungsstellen für Arzneimittel finden, so Mark Gerstein, ein Bioinformatikprofessor der Yale University, der nicht an der Studie beteiligt war.
Die vorherige Version von MINFLUX wurde bereits von Martin Aepfelbacher, einem Mikrobiologen am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf in Deutschland, verwendet, um den molekularen Mechanismus in Bakterien zu sehen. Aber der Detaillierungsgrad, der beobachtet werden kann, wenn es um die biologische Aktivität im Nanomaßstab geht, könnte durch die neue Methode, die es seinem Team ermöglichen könnte, "die Bewegungen einzelner Proteine in Aktion zu beobachten", erheblich verbessert werden, sagt er.
Quelle: the-scientist.com/news
📩 02/04/2023 22:11