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Wie ein Schlüssel, der in ein Schloss passt: Das zu beobachtende Protein wird mit einer sehr kleinen Sonde, einem Histidin-Tag, fusioniert. © moodboard / moodboard / Thinkstock

Schlüssel-Schloss-Prinzip: Leuchtende Miniatursonden für die hochauflösende Mikroskopie

Um Proteine im Mikroskop sichtbar zu machen, werden sie meist auf DNA-Ebene mit fluoreszierenden Proteinen fusioniert. Allerdings sind diese leuchtenden Marker relativ groß, so dass sie die Funktion der Proteine beeinträchtigen können. Die große Distanz zwischen Protein und Sonde kann außerdem zu fehlerhaften Beobachtungen führen. Um dieses Problem zu umgehen, haben Wissenschaftler der Goethe-Universität nun sehr kleine Markierungssonden für die hochauflösende Mikroskopie entwickelt.

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Beobachtung von einzelnen Histidin-markierten Zytoskelletmolekülen mit Hilfe der Super-Resoltuion Mikroskopie (dSTORM). Links ein markiertes Aktin (Zytoskelett-Bestandteil), rechts zwei Vergrößerungen. © Goethe Universität Frankfurt am Main

Die hochauflösende Methode basiert auf dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: Dazu wird das zu beobachtende Protein mit einer sehr kleinen Sonde, einem Histidin-Tag, fusioniert. An diesen bindet spezifisch das fluoreszenzmarkierte Molekül tris Nitrilotriessigsäure (trisNTA). Da beide Teile der Sonde extrem klein sind, rückt die fluoreszierende Markierung sehr nahe an das Protein.

Die Entfernung beträgt nur zwei Nanometer (zwei milliardstel Meter), was rund zehnmal näher ist als bei konventioneller Antikörpermarkierung. Die auf den Namen SLAP („Small LAbeling Pair“) getaufte Technik wurde in enger Zusammenarbeit zwischen den Gruppen um die Professoren Mike Heilemann (Institut für Physikalische und Theoretische Chemie) und Robert Tampé (Institut für Biochemie) an der Goethe-Universität Frankfurt am Main entwickelt und in hochauflösender Fluoreszenz-Mikroskopie angewendet.

Mit dieser Technik, die 2014 mit dem Nobelpreis für Chemie honoriert wurde, kann man - dank der trickreichen Umgehung der bisherigen Auflösungsgrenze - einzelne Proteine und Moleküle sichtbar machen. So konnten beispielsweise mit SLAP markierte Bestandteile des Zellskeletts mit einer Auflösung von 40 Nanometern dargestellt werden.

Proteinkomplexe eingrenzen

„Der große Vorteil dieser Methode zeigte sich bei der Markierung von Komponenten der Antigen-Prozessierung“, erläutert Prof. Tampé. Diese essentielle Maschinerie des adaptiven Immunsystems sorgt dafür, dass Fragmente von Erregern, etwa Viren, auf der Zelloberfläche präsentiert werden. Dadurch werden infizierte Zellen vom Immunsystem als solche erkannt und eliminiert.

Dank der neuen SLAP-Markierungsmethode kombiniert mit der hochauflösenden Mikroskopie konnte die Größe dieser Proteinkomplexe nun auf etwa 50 Nanometer eingegrenzt werden. „Jetzt wissen wir, dass der gleiche Komplex durch die konventionelle Markierung mit Antikörpern künstlich vergrößert dargestellt wurde“, fügt Prof. Heilemann hinzu.

Da die SLAP-Markierungsmethode leicht anwendbar ist, sind die Frankfurter Forscher überzeugt, damit auch auf längere Sicht einen Beitrag zur genaueren Darstellung von krankheitsrelevanten zellulären Prozessen geleistet zu haben.

QuelleJohann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

Weitere Informationen

Originalpublikation: Prof. Mike Heilemann, Prof. Robert Tampé et al., SLAP: Small labeling pair for single-molecule super-resolution imaging. Angewandte Chemie 127, first published online: 15 July 2015 DOI: 10.1002/anie.201503215

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