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Biophysik

Gold-Nanopartikel zur Strukturaufklärung von biologischen Makromolekülen

München, 30.05.2018

Ein Team von Wissenschaftlern der Universitäten Stanford, Harvard und der LMU entwickeln eine neue Methode um biologische Strukturen durch Markierung mit Goldnanopartikel und Beobachtung durch Röntgenstrahlung aufklären zu können.

Gold-Nanoteilchen markierte Makromoleküle (Foto: Thomas Zettl, Chair of Applied Physics, LMU Munich)

Biologische Makromoleküle –DNA, RNA und Proteine– sind die Grundlage alles Lebens: Ihre räumliche Struktur und ihre Dynamik bestimmen ihre Funktionen in der Zelle. Um ihre Funktionsweisen zu verstehen, ist es sehr vorteilhaft, wenn man die Struktur von Makromoleküle in Lösung, unter (annähernd) physiologischen Bedingungen untersuchen kann. Röntgen-Kleinwinkelstreuung, auch bekannt unter dem englischen Begriff small-angle X-ray scattering (SAXS), ist eine Technik die für diesen Zweck ideal ist und bei der man Moleküle mittels Röntgenstrahlung in Lösung, unter frei wählbaren Lösungsbedingungen, untersucht.

Um den Informationsgehalt von SAXS Messungen, und damit die Auflösung der daraus berechneten makromolekularen Strukturen zu verbessern, hat ein Team von Wissenschaftlern um Professor Jan Lipfert (LMU München) in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Stanford und Harvard ein Verfahren entwickelt, bei dem winzige Gold-Nanoteilchen an biologische Makromoleküle geheftet werden. Die Gold-Nanoteilchen dienen dabei als Markierungen, die, ähnlich einer Landmarke für einen Landvermesser, eine bessere und genauere Orientierung in der makromolekularen Struktur ermöglichen. Das Forscherteam konnte zeigen, dass ihre Methode für alle wichtigen Klassen von biologischen Makromolekülen funktioniert: Für DNA, die unsere genetische Information speichert, für RNA, die wichtige Rollen bei der Transmission und Regulation der genetischen Information spielt, und für Proteine, die eine große Reihe von verschiedenen Funktionen ausführen können.

Die Forscher hefteten dabei die Gold-Nanoteilchen an spezifische Positionen in verschiedenen Makromolekülen bekannter Struktur. Die markierten Moleküle wurden mit hochbrillanter Röntgenstrahlung an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) nahe San Francisco und der Advanced Photon Source (APS) in Chicago vermessen. Die Forscher erzielten mit dem neuen Verfahren hervorragende Übereinstimmungen zwischen den rekonstruierten und den berechneten Positionen mit einer Genauigkeit auf der Größenskala eines einzelnen Atoms. Die neu entwickelte hochpräzise Methode kann somit künftig verwendet werden um unbekannte Strukturen von Molekülen und biologischen Komplexen zu lösen und somit einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis von ihrer Funktion zu liefern.

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