Molekulare Schalter im Rampenlicht

Erste Einblicke in Strukturänderungen beim „Anschalten“ fluoreszierender Proteine

Schaltbare Fluoreszierende Proteine sind ein wichtiges Werkzeug für die Analyse zellulärer Mechanismen und Strukturen. Forschern des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg ist es nun in Kooperation mit französischen Kollegen erstmals gelungen, die strukturellen Veränderungen eines Proteins und dessen farbigen Anteils beim „Anschalten“ aufzunehmen. Dieses Wissen kann nun genutzt werden, um modifizierte molekulare Schalter für eine noch bessere Bildgebung in der Zellbiologie zu entwerfen.

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Das Protein rsEGFP2 mit seinem Chromophor (rechts unten).
Das Protein rsEGFP2 mit seinem Chromophor (rechts unten).

Fluoreszierende Proteine sind ein wichtiges Werkzeug für die Analyse verschiedenster Zellen. Sie helfen, verschiedene Prozesse und Strukturen sichtbar zu machen und können so zum Beispiel zu der Aufklärung von Mechanismen vieler Krankheiten beitragen. Entscheidend sind hierbei die Chromophore – Moleküle, die Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und Licht einer anderen Wellenlänge wieder abgeben (Fluoreszenz). Dabei gibt es auch fluoreszierende Proteine, die schnell und spezifisch an- und ausgeschaltet werden können. Bei diesem Vorgang erleben Chromophor und Protein in Femto- bis Picosekundenschnelle eine strukturelle Veränderung.

Es ist Forschern des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung unter der Leitung von Ilme Schlichting in Kooperation nun erstmals gelungen, diese sehr schnellen Veränderungen beim „Anschalten“ eines fluoreszierenden Proteins (rsEGFP2) aufzunehmen. Die Ausrichtung von Chromophor und umgebenden Protein im an- und ausgeschalteten Zustand war für dieses System bereits bekannt. Das betrachtete Protein rsEGFP2 ist eines der synthetischen Systeme, die sich aus dem in bestimmten Quallen vorkommenden Green Fluorescent Protein (GFP) ableiten lassen.

Von der Beobachtung zur Anwendung

Das Wissen um die strukturellen Veränderungen in FPs beim Wechsel in den „angeschalteten“ Zustand ist unverzichtbar, wenn es in der Zukunft um die Verbesserung der Eigenschaften solcher molekularen Schalter geht, um bildgebende Verfahren der Mikroskopie voranzutreiben. Erste Versuche waren hier bereits vielversprechend. So konnte bereits durch den Austausch nur einer Aminosäure nahe dem Chromophor die Quantenausbeute beim An- und Ausschalten erhöht werden.

Die Aufnahme solch sehr schneller Veränderungen im fluoreszierenden Protein waren nur durch die Anwendung von Femtosekundenröntgenkristallografie möglich. Diese Technik wurde – mit wichtigen Beiträgen der Max-Planck Forscher um Ilme Schlichting - während der letzten sieben Jahre entwickelt. Für die Messungen wurde der Freie-Elektronen-Laser in Stanford (USA) genutzt. Hier werden Röntgenstrahlen einer sehr hohen Intensität und kurzen Dauer (Femtosekunden) in einer kilometerlangen Installation erzeugt. Trifft der Strahl auf die zu beobachtenden Proteinkristalle, werden die Röntgenstrahlen gebeugt und erzeugen dabei ein Streuungsmuster, aus dem die Struktur des Moleküls abgeleitet werden kann. Auch wenn diese Methode bereits mehrere Jahre erfolgreich genutzt wird, wurden durch serielle Femtosekundenkristallographie bisher nur wenige Vorgänge unterhalb der Picosekunden-Grenze beobachtet. Den beteiligten Forschern ist es durch diese revolutionäre Methode gelungen, weitere Erfolge im Design schaltbarer fluoreszierender Proteine zu ermöglichen.

EF/HR

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