Spot auf die Maschinerie des Lebens

18.08.2017, 10:29

Erlanger Physikern ist es gelungen, Molekülbewegungen lediglich mit Licht aufzuzeichnen

Moleküle heften sich an hervorstehende Goldatome auf der Oberfläche des Nanodrähtchens. Da die Reaktion im Sensor-Signal erkennbar wird, lassen sich Oberflächenreaktionen mit Hilfe des plasmonischen Nanosensors schnell optimieren.

 

Eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen hat einen Nanosensor entwickelt, um die Arbeitsweise von Enzymen und anderen Biomolekülen in Echtzeit zu beobachten. Damit haben sie zum ersten Mal ausschließlich mit Licht verfolgt, wie sich das Enzym Polymerase bewegt, das im Körper die Erbsubstanz DNA herstellt. Mit der neuen Methode lässt sich auch untersuchen, wie Enzyme arbeiten - das könnte helfen, neue Ansatzpunkte für medizinische Wirkstoffe zu identifizieren.

Das Team um Frank Vollmer, der bis Ende des Jahres eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts leitet, hat eine Methode entwickelt, mit der sie Enzyme ohne Farbstoff-Markierung, lediglich mit Licht, beobachten können. Die Ergebnisse hat die Gruppe in den Fachzeitschriften Science und Nature veröffentlicht.

Der mikroskopisch kleine Sensor der Erlanger Wissenschaftler ist aus zwei Komponenten aufgebaut: Auf einem Glaskügelchen sitzt ein Nanodrähtchen aus Gold von rund 40 Nanometern Länge, das einen Lichtfleck erzeugt. Bindet nun ein Enzym oder ein Molekül an das Golddrähtchen, wird es in den Lichtfleck getaucht. Ein Sensor zeichnet die Signale dieser Enzymbewegungen auf.

In einem ihrer Versuche haben die Physiker das Enzym DNA-Polymerase an ihren Sensor geheftet, und dessen Bewegungen aufgezeichnet. So konnten sie in Echtzeit verfolgen, wie sich das Enzym öffnet und schließt. „Mit einer Weiterentwicklung unserer Methode könnte man sogar die Herstellung eines DNA-Stranges durch das Enzym Polymerase aufzeichnen – ihm also direkt bei der Arbeit zusehen“, sagt Frank Vollmer. Biochemiker könnten das Enzym dann dabei beobachten, wie es die genetische Information kopiert, und aus dem Signal des Nanosensors sogar die genaue Abfolge der Buchstaben des genetischen Codes ablesen.

Warum die Maschinerie des Lebens ins Stocken gerät

Für die Zukunft verfolgt Vollmers Team die Vision, Moleküle, Atom für Atom zu scannen: „Wenn wir verschiedene Lichtquellen einsetzen, ist es möglich, Moleküle regelrecht abzutasten“, plant Vollmer. Mit einem solchen molekularen Scanner ließe sich ein Prozess aus verschiedenen Blickwinkeln und in sehr kurzen zeitlichen Abständen betrachten. Das würde das Verständnis von molekularen Vorgängen deutlich erhöhen. Biologen könnten sehr detailliert beobachten, wie sich Strukturen ändern, und zwar über Zeitspannen von Nanosekunden bis hin zu mehreren Stunden. Zudem wird die Idee eines automatisierten Labors greifbar, das nicht größer als ein Fingernagel ist und eine Probe Protein für Protein abtastet, um Krankheiten auf molekularer Ebene zu diagnostizieren.

Wenn sich künftig verfolgen lässt, wie Enzyme ihre Gestalt wechseln, verstehen Mediziner in einigen Fällen möglicherweise auch besser, warum die Maschinerie des Lebens ins Stocken gerät und ein Organismus krank wird. Denn einige Krankheiten, wie etwa Alzheimer, hängen damit zusammen, dass sich die Struktur von Proteinen verändert. Genauere Einsichten in solche Prozesse könnten dann sogar Ansatzpunkte für neue Therapien liefern.

 

 

Kontakt

Prof. Dr. Frank Vollmer

E-Mail: frank.vollmer(at)mpl.mpg(dot)de

 

Mehr dazu unter

https://www.mpg.de/11438826/plasmonisch-nanosensor-enzym?filter_order=L&research_topic=