Nanobodies als Lichtschalter für die Zelle

Alpakas verfügern nicht nur über außergewöhnlich warme Wolle, sondern auch über ungewöhnlich kleine Antikörper.

Quelle: Amberdale Alpakas

Antikörper sind ein wichtiges Werkzeug des Immunsystems. Üblicherweise koppeln sie sich an Viren, Bakterien oder erkrankte Zellen, um diese aus dem Verkehr zu ziehen oder für andere Abwehrzellen zu markieren. In der Zelle kommen sie nicht vor, sie sind zu groß, um durch die Zellmembran zu passen. Es gibt jedoch ungewöhnlich kleine Antikörper, die genau das schaffen. In der Zelle binden sie an Eiweiße und verändern somit deren Funktion. Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Unternehmen Chromotek des GO-Bio Gewinners Ulrich Rothbauer haben mit den Mini-Antikörpern nun erstmals ein fluoreszierendes Eiweiß verändert. Das berichten sie im Fachblatt Nature Structural and Molecular Biology (Online-Veröffentlichung, 13. Dezember 2009)

Das grün fluoreszierende Protein (GFP) ist ein Eiweiß, das Forscher benutzen, um die Produktion anderer Eiweiße messen zu können. GFP leuchtet, wenn man es mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Nun können Wissenschaftler durch das Einfügen des GFP-Bauplans an eine bestimmte Stelle des Erbguts in einer Zelle erreichen, dass beim Bau eines Eiweißes immer auch ein GFP angehängt wird. Indem sie dann einfach die leuchtenden Punkte in der Zelle zählen, können die Forscher auf einfache Weise verfolgen, ob und wo das jeweilige GFP-gekoppelte Eiwieß produziert wird.

Grün fluoreszierende Proteine werden von Forschern immer dann eingesetzt, wenn Vorgänge in der Zelle sichtbar gemacht werden sollen. Hier das Zellwachstum bei sich regenerierenden Gliedmaßen eines Axolotl.Quelle: Martin Kragl/CRTD

Lamas und Alpakas verfügen über ungewöhnlich kleine Antikörper

Forschern um Heinrich Leonhardt und Karl-Peter Hopfner von der Ludwig-Maximilians-Universität München ist es zusammen mit Ulrich Rothbauer vom Biotechnologieunternehmen ChromoTek erstmals gelungen gelungen, GFP selbst zu verändern. Das schafften sie mit Hilfe von ungewöhnlich kleinen Antikörpern, den sogenannten Nanobodies. Was sie selbst nicht erwartet hätten: Die Lichtintensität des GFP ließ sich mit den Nanobodies wie mit einem Messregler steuern. Damit erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten des GFP beträchtlich, berichten die Forscher im Fachblatt Nature Structural and Molecular Biology (Online-Veröffentlichung, 13. Dezember 2009).

Konventionelle Antikörper sind zu groß, um in lebenden Zellen zum Einsatz zu kommen. Eine Alternative bieten Kamele und ihre südamerikanischen Verwandten, die Alpakas, Guanakos, Lamas und Vicunjas: Diese Tiere produzieren auch sehr viel kleinere Antikörper. Diese dienen als Bauplan für die Nanobodies, die auch innerhalb von Zellen funktionieren. Das LMU-Team arbeitete mit Kollegen der TU Darmstadt, der Freien Universität in Brüssel und des LMU-Spinoffs ChromoTek zusammen, um Nanobodies zu erzeugen, die spezifisch auf GFP reagieren: Zunächst wurde das Immunsystem der Alpakas auf GFP sensibilisiert. Dann wurde die genetische Information für Antikörper - auch jener, die GFP erkennen - in Bakterien übertragen. "Diese Antikörperfragmente wurden dann von den Bakterien synthetisiert und konnten getestet werden, ob sie an GFP binden", erklärt der LMU-Forscher Rothbauer. "Insgesamt konnten wir sieben passende Nanobodies auf diesem Weg identifizieren." Mit der Idee, Alpaka-Antikörper als Nachweisinstrumente in lebenden Zellen einzusetzen, konnte Rothbauer im Jahr 2007 die Jury des GO-Bio-Wettbewerb des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) überzeugen (mehr...). Sie bewilligte insgesamt 1,5 Millionen Euro, damit Rothbauer das Konzept in seiner Startup-Firma weiterentwickelt. Nun hat Rothbauer gemeinsam mit Kollegen an der LMU weitere Details zu den Fähigkeiten der Nanobodies als Biomarker-Instrument aufgeklärt.

Leuchtsignal ein- und ausschalten

Zwei der Nanobodies aus Rothbauers Sortiment hatten einen deutlichen Einfluss auf das GFP. "Ein Nanobody verstärkte durch seine Bindung die Fluoreszenz um das Fünffache", berichtet Rothbauer. "Der andere hat sie dagegen um den Faktor vier reduziert, so dass wir das Signal ein- und ausschalten konnten." Wie dies gelingt, zeigten Strukturanalysen am Genzentrum der LMU. "Unsere Untersuchungen haben ergeben, dass ein Nanobody eine bestimmte Region des Proteins näher an das Chromophor drückt, während der andere es eher wegschiebt", so Axel Kirchhofer vom Genzentrum München, der Erstautor der Studie.

In einem weiteren Experiment prüften die Forscher, ob der verstärkende Nanobody auch dazu dienen könnte, um mit GFP zusammengekoppelte Eiweiße in der Zelle zu entdecken. Zum Nachweis benutzten die Wissenschaftler Zellen, die einen GFP-gebundenen Hormonrezeptor im Zellinneren produzieren. Der Nanobody wurde im Zellkern hergestellt. Nun gaben die Forscher ein Hormon hinzu, dass den Rezeptor veranlasste, in den Zellkern zu wandern. Wann er dort ankam, konnten die Forscher genau ablesen. Im Zellkern verband sich das GFP mit den dort vorhandenen Nanobodies und leuchtet plötzlich fünfmal so stark. Rothbauer stimmen die Ergebnisse zuversichtlich, dass Nanobodies zum wertvollen Wekrzeug der Biotechnologie werden könnten. "Diese erfolgreiche Kooperation zwischen Zell- und Strukturbiologen hat den Nachweis geliefert, dass Nanobodies verschiedene Proteinkonformationen erkennen, induzieren und stabilisieren, was sie für den Einsatz in lebenden Zellen prädestiniert."