05.05.2022 - Arizona State University

Ein schärferes Bild von Proteinen

Neue Technik verspricht eine Revolution bei der Darstellung von Proteinen und anderen lebenswichtigen Biomolekülen

Proteine sind vielleicht die wichtigsten und vielfältigsten Biomoleküle in lebenden Systemen. Diese Aneinanderreihungen von Aminosäuren, die komplexe dreidimensionale Formen annehmen, sind für das Wachstum und die Erhaltung von Gewebe, die Einleitung tausender biochemischer Reaktionen und den Schutz des Körpers vor Krankheitserregern durch das Immunsystem unerlässlich. Sie spielen eine zentrale Rolle bei Gesundheit und Krankheit und sind primäre Ziele für pharmazeutische Wirkstoffe.

Um Proteine und ihre unzähligen Funktionen vollständig zu verstehen, haben Forscher hochentwickelte Mittel entwickelt, um sie durch fortschrittliche Mikroskopie, verbesserte Lichterkennung, Bildgebungssoftware und die Integration fortschrittlicher Hardwaresysteme zu sehen und zu untersuchen.

In einer neuen Studie beschreiben der korrespondierende Autor Shaopeng Wang und seine Kollegen von der Arizona State University eine neue Technik, die verspricht, die Bildgebung von Proteinen und anderen lebenswichtigen Biomolekülen zu revolutionieren, indem diese winzigen Einheiten mit noch nie dagewesener Klarheit und mit einfacheren Mitteln als den bisherigen Methoden sichtbar gemacht werden können.

Die Methode, über die wir in dieser Studie berichten, verwendet normales Deckglas anstelle von goldbeschichtetem Deckglas, was zwei Vorteile gegenüber unserer zuvor berichteten markierungsfreien Einzelprotein-Bildgebungsmethode hat", sagt Wang. Sie ist mit der Fluoreszenzbildgebung für die in-situ-Kreuzvalidierung kompatibel und reduziert den lichtinduzierten Erwärmungseffekt, der die biologischen Proben schädigen könnte. Pengfei Zhang, ein hervorragender Postdoktorand in meiner Gruppe, ist der technische Leiter dieses Projekts".

Wang hat eine gemeinsame Fakultätsposition im Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors und in der School of Biological and Health Systems Engineering. Die Forschungsergebnisse der Gruppe erscheinen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications.

Die neue Methode, die als evaneszente Streuungsmikroskopie (ESM) bezeichnet wird, basiert auf einer optischen Eigenschaft, die bereits in der Antike erkannt wurde und als interne Totalreflexion bekannt ist. Sie tritt auf, wenn Licht von einem Medium mit hoher Brechkraft (wie Glas) in ein Medium mit niedriger Brechkraft (wie Wasser) fällt.

Wenn der Winkel des einfallenden Lichts von der Senkrechten (relativ zur Oberfläche) wegbewegt wird, erreicht er schließlich den "kritischen Winkel", was dazu führt, dass das gesamte einfallende Licht reflektiert wird, anstatt das zweite Medium zu durchdringen. (Um biologische Proben richtig zu beleuchten, wird Laserlicht verwendet.)

Die Totalreflexion erzeugt ein evaneszentes Feld, das Zellen oder Moleküle wie Proteine an der Glas-Wasser-Grenzfläche anregen kann, wenn diese Moleküle auf einem Deckglas befestigt sind, wodurch die Forscher sie in verblüffenden Details sichtbar machen können.

Bisherige Methoden markieren die interessierenden Biomoleküle üblicherweise mit fluoreszierenden Markierungen, so genannten Fluorophoren, um sie besser abbilden zu können. Dieses Verfahren kann die zu beobachtenden subtilen Wechselwirkungen beeinträchtigen und erfordert eine umständliche Probenvorbereitung. Das ESM-Verfahren ist eine markierungsfreie Bildgebungsmethode, die keinen Fluoreszenzfarbstoff und keine Goldbeschichtung der Objektträger erfordert.

Stattdessen nutzt die Methode subtile Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Deckglases, um Bilder mit gestochen scharfem Kontrast zu erzeugen. Erreicht wird dies durch die Abbildung der Interferenz von evaneszentem Licht, das von den Einzelmolekülproben gestreut wird, und der rauen Textur des Deckglases.

Die Nutzung der evaneszenten Wellenstreuung ermöglicht die Untersuchung von Proben, einschließlich Proteinen, in extrem geringer Tiefe, typischerweise <100 Mikrometer. Dadurch kann ESM einen optischen Schnitt erzeugen, dessen Abmessungen mit denen eines dünnen elektronenmikroskopischen Schnitts vergleichbar sind.

Die neue Studie beschreibt den Einsatz von ESM zum Nachweis von vier Modellproteinen: Rinderserumalbumin (BSA), Maus-Immunglobulin G (IgG), menschliches Immunglobulin A (IgA), menschliches Immunglobulin M (IgM).

In einer Reihe von Experimenten wurden Protein-Protein-Wechselwirkungen, einschließlich der schnellen Bindung und Dissoziation einzelner Proteine, beobachtet. Das Verständnis dieser Bindungskinetik ist für die Entwicklung sicherer und wirksamerer Arzneimittel von entscheidender Bedeutung. Die Forscher nutzten ESM auch zur genauen Beobachtung von Konformationsänderungen in der DNA, was die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit der neuen Methode weiter unterstreicht.

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