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Malte Drescher gibt Einblicke ins Zellinnere

Durch den Einsatz von Elektronenspinresonanz-Spektroskopie ist es möglich, Informationen über Struktur und Dynamik großer Moleküle zu gewinnen. Dr. Malte Drescher von der Universität Konstanz hat auf der Basis dieser Technologie eine neue Methode zur Strukturanalyse von biologischen Makromolekülen im Zellinnern entwickelt. Damit kann deren oft komplexe Struktur unter physiologischen Bedingungen betrachtet werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse können vielversprechende Ansätze für die Entwicklung von Krebstherapeutika liefern.

Dr. Malte Drescher von der Universität Konstanz entschlüsselt die Struktur von Makromolekülen in lebenden Zellen. © M. Drescher

Biologische Makromoleküle bilden oft komplexe dreidimensionale Strukturen aus, die sich nicht allein anhand ihrer Bausteine vorhersehen lassen. Zur Untersuchung dieser Strukturen werden meist Röntgenstrukturanalyse und Kernspinresonanz-Spektroskopie eingesetzt, wofür die Makromoleküle in kristalliner Form oder hoch konzentriert vorliegen müssen. Doch die Konformationen können in Abhängigkeit vom Umfeld variieren, so dass es von großer Bedeutung ist, die Makromoleküle nicht nur isoliert, sondern auch in ihrem physiologischen Zustand innerhalb der Zelle zu untersuchen. Durch die überwältigende Vielzahl an Molekülen im Zellinnern ist es allerdings schwer, gezielte Messungen an nur einem Makromolekül vorzunehmen, die nicht von anderen Signalen gestört werden.

Dieses Hindernis hat der Konstanzer Physikochemiker Dr. Malte Drescher überwunden. In Zusammenarbeit mit dem Chemiker Prof. Dr. Jörg Hartig und dem Biologen Prof. Dr. Daniel Dietrich hat er eine neue Technik auf der Basis der Elektronenspinresonanz(ESR)-Spektroskopie entwickelt, die auch in solchen komplexen Umgebungen störungsfrei eingesetzt werden kann. In der ESR-Spektroskopie werden Abstandsinformationen im Nanometerbereich gewonnen, die Rückschlüsse auf die dreidimensionale Struktur der Makromoleküle zulassen. „Da wir uns viel mit biologischen Makromolekülen beschäftigen, lag es nahe, die hintergrundfreie Messung in der Zelle zu nutzen“, erläutert Dr. Malte Drescher die Entstehung der Idee.

Um dieses Vorhaben in die Tat umzusetzen, war Interdisziplinarität gefragt, und schnell fand Drescher unter den Kollegen der Chemie und Biologie an der Universität Konstanz Unterstützung. Aus der Graduiertenschule Chemische Biologie an der Universität Konstanz kannte er Jörg Hartig, der die Expertise in der chemischen Synthese mitbrachte, und mit dem er bereits früher erfolgreich zusammengearbeitet hatte. So waren sie sich schnell über die hohe Relevanz des Projekts einig und konnten mit Daniel Dietrich noch einen Experten aus dem Gebiet der Zellbiologie für das Projekt gewinnen. „Für Projekte aus der Chemischen Biologie ist der Forschungsstandort Konstanz ideal“, urteilt Drescher.

Seine Entscheidung für die Forschung wurde ihm 2008 durch die Auszeichnung mit dem Emmy-Noether-Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft leicht gemacht. „Dadurch waren die Rahmenbedingungen für eine Fortführung meiner Forschungsprojekte so gut, dass ich mir die Chance nicht entgehen lassen konnte“, schildert Drescher. Nicht nur deshalb entschied er sich gegen eine Tätigkeit in der Industrie. „Außerdem würde mir dort der Kontakt zu den Studenten fehlen“, so der Physikochemiker.

Spin-Sonden zur Abstandsmessung

Durch Markierung mit Spin-Sonden kann die Struktur der Makromoleküle wie DNA oder Proteine innerhalb der Zelle untersucht werden. © M. Drescher

Sogenannte Spin-Sonden werden bei der ESR-Spektroskopie zur Messung eingesetzt. „Spin-Sonden sind kleine Markermoleküle mit einem ungepaarten Elektron, die an das zu untersuchende Makromolekül angebracht werden“, erklärt Malte Drescher. Zur Untersuchung von DNA sind das beispielsweise synthetische, spinmarkierte Bausteine, aus denen die DNA mittels Festphasensynthese Nukleotid für Nukleotid aufgebaut wird. Bei Proteinen wird häufig durch Mutation die Aminosäure Cystein mehrfach künstlich eingebracht, die dann in einer spezifischen Reaktion spinmarkiert werden kann.

Die markierten Makromoleküle werden in ungefalteter Form in die Zelle injiziert, wo sie ihre den Umgebungsbedingungen entsprechende Konformation annehmen, für die dann der Abstand zwischen den Spin-Sonden per ESR gemessen wird. Die Detektion der Spin-Sonden erfolgt dabei über deren magnetisches Moment, das mit ihrem Spin verknüpft ist, ganz analog zur NMR-Spektroskopie in einem äußeren Magnetfeld. Das magnetische Moment ist allerdings deutlich stärker, so dass die Prozesse sehr viel schneller ablaufen. Zwischen zwei Spin-Sonden herrscht eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung, deren Stärke vom Abstand abhängt. „Wir zielen mit unserer Methode nicht auf eine hochaufgelöste dreidimensionale Struktur ab, sondern der Ansatz ähnelt eher der FRET-Methode“, betont Drescher. (Anm. d. Red.: FRET: Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer.) Ausgewählte charakteristische Stellen des Moleküls werden spinmarkiert und gemessen, um dann über Vergleiche mit zum Beispiel Kristallstrukturen Schlüsse auf die Konformation zu ziehen.

Der große Vorteil der Methode für intrazelluläre Messungen liegt darin, dass nur ungepaarte Elektronen detektiert werden, die selten in der Zelle vorkommen. Dadurch kann nach Injektion eines mit Spin-Sonden markierten Makromoleküls hintergrundfrei innerhalb der Zelle gemessen werden. Außerdem erlaubt die hohe Sensitivität dieser Methode auch die Arbeit mit niedrigen Konzentrationen der Makromoleküle. „Somit können wir zum Beispiel das Parkinson-assoziierte Protein Alpha-Synuclein bei physiologischen Konzentrationen in der Zelle untersuchen“, hebt Drescher hervor.

Von der Molekülstruktur zu neuen Therapieansätzen

Besonders interessant ist die intrazelluläre ESR für polymorphe Moleküle. Bei diesen kann die Konformation eines Moleküls in verschiedenen physiologischen Situationen stark variieren. Das sind beispielsweise DNA-Quadruplexe, viersträngige DNA-Strukturen, die durch quadratische Anordnung von Guanin-Nukleinbasen und Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den vier Strängen entstehen. Auftreten können diese Quadruplexe in zahlreichen Konformationen. Sie finden sich zum Beispiel in den Telomeren, den Enden der Chromosomen. Die Anordnung der Quadruplexe scheint dort die Aktivität des Enzyms Telomerase zu beeinflussen, welches in 85 Prozent aller Krebsarten eine Rolle spielt, da es die Chromosomenenden wiederherstellt und so die Fähigkeit zur korrekten Replikation der DNA aufrechterhält. Die Kenntnis der physiologischen Konformation der DNA-Quadruplexe könnte daher Targets für Krebstherapien liefern. „Eine noch ausgeprägtere Polymorphie weisen intrinsisch ungeordnete Proteine auf, die sich je nach Umgebung ganz unterschiedlich falten können. Zu dieser Klasse gehört das Parkinson-assoziierte Protein Alpha-Synuclein“, so Drescher.

Bisher arbeiteten Malte Drescher und sein Team mit Oocyten des afrikanischen Krallenfrosches, da sich diese Zellen aufgrund ihrer Größe besonders gut für die Experimente eignen. Mit angepassten Transfektionsmethoden sind aber auch Messungen in Säugerzellen möglich. Als große Herausforderung für die Zukunft sieht Drescher die Expression von spinmarkierten Proteinen unter Verwendung genetisch kodierter, spinmarkierter künstlicher Aminosäuren. Um solch eine Anwendung der neuen Technik auf die Strukturuntersuchung von Proteinen zu ermöglichen, wird die Methode nun schrittweise weiterentwickelt.

Zur Person
Malte Drescher promovierte am Physikalischen Institut Karlsruhe zum Thema „Ortsaufgelöste Elektronenspinresonanz“. Nach seinem Forschungsaufenthalt in den Niederlanden als DFG-Forschungsstipendiat am Institut für Molekülphysik in Leiden erhielt er 2008 die Auszeichnung mit dem Emmy-Noether-Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft und leitet seitdem die Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe für Physikalische und Biophysikalische Chemie am Fachbereich Chemie der Universität Konstanz. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich hauptsächlich mit der Methodenentwicklung in der Elektronenspinresonanz (ESR / EPR = electron paramagnetic resonance) und deren Anwendungen. Malte Drescher arbeitet im Sonderforschungsbereich 969 und als Vorstandsmitglied der Graduiertenschule Chemische Biologie an der Universität Konstanz.

 

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Guanin (Abkürzung: G) ist ein Bestandteil (eine Base) der Nukleinsäuren und ein Purin-Abkömmling.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Sie setzen sich aus einer Base, einem Zuckerrest und drei Phosphatgruppen zusammen. Bei der DNA- bzw. RNA-Synthese werden Nukleotide miteinander über eine Phosphordiesterbindung verknüpft. Dabei werden zwei Phosphatgruppen abgespalten.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Replikation ist der biologische Fachbegriff für die Verdoppelung der DNA-Doppelhelix.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Transfektion ist die Bezeichnung von Verfahren zum Einschleusen fremder DNA in eukaryotische Zellen.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Die Parkinson-Krankheit (auch: Morbus Parkinson) ist eine langsam fortschreitende degenerative Erkrankung des Gehirns. Ausgelöst wird sie durch das Absterben von Dopamin ausschüttenden Nervenzellen im Gehirn. Dadurch kommt es zu einem Mangel an Dopamin und zu einer verminderten Aktivität der sog. Basalganglien, die wichtig für die Kontrolle der Motorik sind. Die fortschreitende Störung der Motorik äußert sich in den typischen Parkinson-Symptomen Muskelstarre, Muskelzittern Bewegungsarmut, sowie Haltungsinstabilität.
  • Magnetresonanztomografie (MRT) oder auch Kernspintomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Die MRT beruht auf der Nutzung magnetischer Felder und erlaubt die Erzeugung sehr genauer Schnittbilder des menschlichen Körpers.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Der Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein angeregter Donor-Fluoreszenzfarbstoff strahlungsfrei Energie auf einen fluoreszierenden Akzeptor überträgt. Da die Intensität des FRET auch von dem Abstand der beiden Moleküle abhängt, dient die Methode in der Biochemie zum Nachweis von Wechselwirkungen von Proteinen und Nukleinsäuren.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
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