Einzelmolekül-FRET
Die Vermessung der Nanowelt
Forscher etablieren einen Maßstab zur genauen Bestimmung von Abständen innerhalb einzelner Moleküle
Eine weltweite Studie mit Beteiligung von 20 Laboren hat eine Methode etabliert und standardisiert, um exakte Abstände innerhalb einzelner Biomolekülen bis auf ein Millionstel der Breite eines menschlichen Haares zu messen. Die neue Methode stellt eine wesentliche Verbesserung einer Technologie namens „Einzelmolekül-FRET" (Förster Resonanz Energie Transfer) dar, bei der die Bewegung und Wechselwirkung von fluoreszenzmarkierten Molekülen auch in lebenden Zellen in Echtzeit überwacht werden kann. Bisher wurde die Technologie hauptsächlich zur Untersuchung von Veränderungen relativer Abstände verwendet, also um festzustellen, ob sich Moleküle angenähert oder weiter voneinander entfernt haben. Prof. Dr. Thorsten Hugel vom Institut für Physikalische Chemie und dem BIOSS Center for Biological Signalling Studies der Universität Freiburg ist einer der leitenden Wissenschaftler der Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Methods veröffentlicht worden ist.
FRET funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie Annäherungssensoren im Auto: Je mehr sich das Objekt nähert, desto lauter oder häufiger werden die Pieptöne. Statt auf Akustik zu setzen, basiert FRET auf abstandsabhängigen Änderungen des Fluoreszenz-Lichts zweier Farbstoffen, die mithilfe empfindlicher Mikroskope angezeigt werdent. Die Technologie hat die Analyse der Bewegung und Interaktionen von Biomolekülen in lebenden Zellen revolutioniert.
Hugel und seine Kolleginnen und Kollegen vermuteten, dass nach der Etablierung eines FRET-Standards unbekannte Entfernungen mit großer Sicherheit ermittelt werden können. Durch die Zusammenarbeit der 20 an der Studie beteiligten Labore wurde die Methode so verfeinert, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit verschiedenen Mikroskopen und unterschiedlicher Analysesoftware die gleichen Abstandstände auch im Subnanometerbereich erhielten.
"Die absolute Abstandsinformation, die mit dieser Methode gewonnen werden kann, ermöglicht es uns nun, Konformationen in beweglichen Biomolekülen präzise zuzuordnen oder sogar deren Strukturen zu bestimmen." sagt Hugel, der die Studie gemeinsam mit Dr. Tim Craggs (University of Sheffield / Großbritannien), Prof. Dr. Claus Seidel (Universität Düsseldorf) und Prof. Dr. Jens Michaelis (Universität Ulm) leitete. Solche dynamischen Strukturinformationen führen zu einem besseren Verständnis der molekulare Maschinen und Prozesse, die für das Lebens grundlegend sind.
Originalpublikation:
Björn Hellenkamp, Sonja Schmid, et int., Jens Michaelis, Claus A.M. Seidel, Timothy D. Craggs, Thorsten Hugel.
Precision and accuracy of single-molecule FRET measurements – a multi-laboratory benchmark study.
Nature Methods 15 (2018) 669–676
DOI: 10.1038/s41592-018-0085-0
Kontakt:
Prof. Dr. Thorsten Hugel
Institut für Physikalische Chemie / BIOSS Centre for Biological Signalling Studies
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761 / 203 - 6192
E-Mail: thorsten.hugel@physchem.uni-freiburg.de