Wissenschaft
Mit Biochip die Wechselwirkungen von Eiweißen in Aktion untersuchen
Neben der Erforschung von Genen interessieren die Forscher vor allem die Produkte, die aus den Bauplänen der Gene hergestellt werden: die Eiweiße. Diese Biomoleküle sind die Arbeitstiere im Körper - als Enzyme regulieren sie sämtliche Stoffwechselvorgänge und ermöglichen als Botenstoffe an verschiedensten Stellen die Kommunikation zwischen einzelnen Zellen. Die Analyse all dieser Vorgänge ist angesichts der Vielzahl an unterschiedlichen Eiweißgruppen enorm aufwändig. Wie Wissenschaftler um Robert Tampé von der Universität Frankfurt Ende März im Fachmagazin Nature Nanotechnology (18. März 2007, Vol. 2, S. 220-225) berichtet haben, dürfte diese Arbeit jedoch künftig erleichtert werden. Die Forscher haben einen Biochip hergestellt, mit dem sich die Funktionen von Eiweißen erstmals unter physiologischen Bedingungen erforschen lassen. Zudem kann eine Vielzahl an Wechselwirkungen untersucht werden: Wie eine wiederbeschreibbare CD lässt sich der Chip immer wieder neu mit Eiweißmolekülen bestücken.
Eiweiße sind die Bausteine aller Zellen: Eine einzige Zelle besitzt zwischen 500.000 bis 1.000.000 dieser Biomoleküle, die in einer komplizierten Wechselwirkung alle zellulären Prozesse regulieren. Fehlen einzelne Eiweiße oder können sie ihre Aufgaben nicht wahrnehmen, kann dies zu schweren Krankheiten oder auch Krebs führen. Neben der Erforschung des Genoms ist die Charakterisierung von Struktur, Funktion und Wechselwirkung von Eiweißen ein zentrales Arbeitsgebiet der molekularen Medizin – auch Proteomforschung genannt.
Für die Medizin ist die Analyse von Eiweißen besonders interessant. Viele Medikamente beruhen darauf, dass sie gezielt in die Interaktion von Eiweißen eingreifen – ihre jeweilige Funktion hemmen oder stimulieren. Ein Augenmerk der Forschung liegt nun darauf, diese Angriffspunkte noch gezielter zu gestalten.
Das Experimentieren mit Eiweißen ist allerdings sehr schwierig, weil die kleinen Moleküle oft nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, die künstlichen Bedingungen denen in der Zelle ähneln müssen und die Eiweiße außerhalb ihrer gewohnten Umgebung schnell ihre räumliche Anordnung verlieren. Diese ist jedoch wichtig: Eiweiße können nur dann biologisch aktiv werden, wenn sie ihre dreidimensionale Faltung aufrecht erhalten und an andere Eiweiße binden. Ein Frankfurter Forscherteam um Robert Tampé hat zusammen mit Kollegen vom MPI für Biochemie in München dieses Problem mit einem neuartigen Biochip gelöst. Wie sie im Fachmagazin Nature Nanotechnology (18. März 2007, Vol. 2, S. 220-225) berichten, lassen sich auf kleinstem Raum und in geringen Mengen erstmals Funktionstests für Eiweiße durchführen, die unter normalen physiologischen Bedingungen ablaufen. Dieses Verfahren haben sie native Protein-Nanolithographie (NPNL) genannt.
Eiweiße können immer wieder neu auf Biochip geklebt werden
Unter dem Begriff Nanolitographie (griechisch „Zwergen-Stein-Schreiben”) wird eigentlich die Erzeugung von atomaren Strukturen im Nanometermaßstab verstanden, die auf einer speziell beschichteten Oberfläche eingeritzt oder aufgebaut werden. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter und entspricht in einem Stück Metall ungefähr einer Strecke von vier benachbarten Atomen. Da diese Strukturen zu klein sind, um sie mit herkömmlichen Lichtmikroskopen zu untersuchen, benutzen die Wissenschaftler dazu ein Rasterkraftmikroskop (AFM=Atomic Force Microscope). Dieses Gerät tastet die Oberfläche mit einer speziellen Feder die Oberfläche ab und wandelt diese Informationen in ein Bild um.
Das Prinzip der nativen Protein-NanolithographieQuelle: Institut für Biochemie, Universität Frankfurt
Bei der nativen Protein-Nanolithographie wird eine Gruppe von Eiweißen (Proteine 1) unter physiolgischen Bedingungen aufrecht auf einer Matrix angeordnet. Da die Bedingungen ähnlich denen innerhalb einer Zelle sind, behalten die Eiweiße ihre Struktur und Funktionalität. Sie können zusätzlich entfernt und durch andere (Proteine 2, in Längsrichtung) ersetzt werden. Dies geschieht mit Hilfe der speziellen Feder eines Rasterkraftmikroskops, die auch die Oberfläche abtastet und den Höhenunterschied zwischen längs und aufrecht angeordneter Proteine misst. Diese Information wird wiederum in ein Bild umgewandelt. Der Biochip kann dadurch vergleichbar mit einer CD-ROM gelesen, gelöscht und neu beschrieben werden. Quelle: Institut für Biochemie, Universität Frankfurt
Bei der Protein-Nanolithographie werden einzelne Eiweißemoleküle in einem speziellen Verfahren auf eine Matrix als Grundlage geklebt und mit einem Mikroskop untersucht. Ihre Trick: Anders als bei bisherigen Methoden dieser Art ist die Bindung zwischen einzelnen Eiweißen nicht fix und kann wiederrufen kann. (siehe Abbildung) Wie bei einer wiederbeschreibbaren CD, die gelesen, beschrieben und gelöscht wird, können immer wieder neue Eiweiße hinzugefügt und gezielt platziert oder entfernt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das AFM in einen besonderen Schwingungszustand gesetzt wird. Gleichzeitig befinden sich die Moleküle in einer physiologischen Lösung, die die Bedingungen in der Zelle künstlich auf dem Chip simuliert. Damit ist es den Wissenschaftlern um Tampé gelungen, die Funktionalität der Eiweiße zu erhalten, was nun auch die Arbeit mit empfindlichen Eiweißen und ganzen Eiweißkomplexen erlaubt. Zugleich können durch die „Wiederbeschreibbarkeit“ die unterschiedlichsten Wechselwirkungen im Nanomaßstab untersucht werden.
Bislang erreichen die Forscher bei diesem Chip mit 50 Nanometern eine Auflösungsgrenze, die nahe an der Größe der Eiweißmoleküle liegt. Neben einer weiteren Verfeinerung dieser Methode schwebt den Wissenschaftler nun die Herstellung von bioaktiven Sensoren vor, mit denen einzelne Moleküle detektiert werden können.
