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Vom Gen zum Protein in einem Schritt auf einem Chip

München, 17.11.2014

Forscher der LMU München haben ein neues Verfahren entwickelt, um auf einem Chip in einem Schritt von den Genen ausgehend eine Vielzahl verschiedener Proteine zu exprimieren und deren mechanische Funktionen mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie aufzuklären.


Mechanische Kräfte spielen eine wichtige Rolle in verschiedensten biologischen Systemen. In Muskeln, Knochen, Bindegewebe oder dem Zytoskelett ist dies offensichtlich. Aber auch in Prozessen wie Zelladhäsion oder Stammzelldifferenzierung liefern Kräfte essentielle Schlüsselsignale. Auf der molekularen Ebene wirken mechano-sensitive Proteine als Sensoren und Wandler, die diese mechanischen Signale in chemische Kaskaden umsetzen und weiterleiten. Mit der rapiden Entwicklung von Einzelmolekültechniken sind nun die darunterliegenden physikalischen Mechanismen experimentell zugänglich geworden.

ChipDie physiologisch relevanten Barrieren in der Energielandschaft entlang der Aktivierungspfade und Konformationsänderungen als Reaktion auf mechanische Kräfte können mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie (SMFS) mit höchster Auflösung untersucht werden. Die Forscher um Hermann Gaub am Lehrstuhl für Biophysik an der Fakultät für Physik der LMU entwickelten eine Mikrofluidik-Plattform für die on-chip Produktion von Proteinen mittels in-vitro Expression. Imselben Schritt werden die Proteine kovalent an der Oberfläche verankert und aufgereinigt. In den 620 Kammern des Chips können ganze Arrays von Proteinen gleichzeitig erzeugt und untersucht werden. Zur reversiblen Kopplung des Proteins an die Spitze des Kraftspektrometers nutzen sie Komponenten aus bakteriellen Cellulosomen, die sich durch extrem hohe mechanische Stabilität auszeichnen.

FibronectinDies erlaubte es, tausende mechanische Experimente mit jedem Protein durchzuführen und, ohne die Probe zu wechseln, verschiedene Proteine direkt miteinander zu vergleichen. Diese neue Möglichkeit, mit überschaubarem Aufwand eine Vielzahl von Proteinen in einem Schritt zu synthetisieren und zu vermessen, ermöglicht mechanische Phänotypisierung mit hohem Durchsatz. Mit einer Untersuchung eines Spektrums verschiedener Proteine, die sowohl aus dem intra- als auch dem extrazellulären Raum stammen und sich in ihren mechanischen Funktionen deutlich unterscheiden, konnten die Autoren des Artikels, der in Nature Methods in der Ausgabe vom 14. November veröffentlicht wird, zeigen, dass ihr Ansatz einen detaillierten Einblick in die Mechano-Biologie von Proteinen erlaubt und wertvolle Antworten auf ein breites Spektrum an wichtigen Fragen verspricht.

Diese Arbeit wurde unterstützt vom ERC Advanced Grant "CellFuel", durch ein Branco Weiss Stipendium der ETH Zürich, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 1032), des Excellentcluster "Center for Integrated Proteim Science Munich (CIPSM) und der Nanosystem Initiative München (NIM).

Publikation:
Marcus Otten, Wolfgang Ott, Markus A Jobst, Lukas F Milles, Tobias Verdorfer, Diana A Pippig, Michael A Nash & Hermann E Gaub
,
Nature Methods 11(11): 1127-1130, 2014