Die Abbildung des dynamischen zellulären Zoos wird erleichtert

Stellen Sie sich die Schwierigkeit vor, fünf in einem Stadion verstreute Personen visuell zu verfolgen. Forscher vollbringen weitaus erstaunlichere Leistungen, indem sie viele verschiedene zelluläre Faktoren gleichzeitig verfolgen, aber sie benötigen ein erweitertes Fluoreszenz-Toolkit, um die derzeitigen Möglichkeiten zu verbessern.

In einer kürzlich in Communications Biology veröffentlichten Studie haben Forscher des SANKEN (Institute of Scientific and Industrial Research) an der Universität Osaka ein Protein genetisch so verändert, dass es die kürzeste derzeit verfügbare Fluoreszenz-Emissionswellenlänge aufweist.

Fluoreszenz ist ein gängiges Mittel, um das Innenleben von Zellen mikroskopisch sichtbar zu machen. Ein Biomolekül von Interesse kann zum Beispiel genetisch mit einem fluoreszierenden Protein (d. h. einem Fluorophor) versehen werden, das eine bestimmte Lichtfarbe (d. h. Wellenlänge) aussendet. Indem man verschiedene Arten von Biomolekülen mit unterschiedlichen Fluorophoren versieht, die jeweils eine andere Lichtwellenlänge aussenden, kann man all diese verschiedenen Biomoleküle gleichzeitig identifizieren und verfolgen. Durch die Erweiterung des Spektrums der möglichen emittierten Wellenlängen kann die Anzahl der Biomoleküle, die gleichzeitig verfolgt werden können, erhöht werden. Dies ist das Problem, das die Forscher angehen wollten.

"Die Grenze der kurzen Emissionswellenlänge von fluoreszierenden Proteinen ist in den letzten 10 Jahren gleich geblieben", erklärt Kazunori Sugiura, Hauptautor. "Das liegt daran, dass sich frühere Forscher in der Regel darauf konzentrierten, geringfügige Änderungen an einer der Aminosäuren der grün fluoreszierenden Proteinmutanten vorzunehmen.

Die Forscher der Universität Osaka konzentrierten sich stattdessen auf die Optimierung der Wechselwirkungen zwischen dem Fluoreszenzzentrum (d. h. dem Chromophor) und den umgebenden Wassermolekülen und Aminosäuren. Durch die Verhinderung der Ionisierung und die Stabilisierung der Hydratisierung des Chromophors zeigte das resultierende Fluorophor - Sumire genannt - mehrere bemerkenswerte Fluoreszenzeigenschaften: (1) Emission bei 414 Nanometern, ein neuer Rekord; (2) eine Helligkeit, die fast das Vierfache des Standes der Technik beträgt; und (3) stabile Emission von pH 5,5-9,0, was den größten Teil des pH-Bereichs umfasst, der in den meisten Zellen vorkommt.

"Wir haben auch den Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer, eine gängige biomolekulare Bildgebungstechnik, zwischen Sumire und handelsüblichen Protein-Fluorophoren erreicht", sagt Takeharu Nagai, leitender Autor. "Dies zeigt die Kompatibilität von Sumire mit der modernen Multiparameteranalyse."

Mit dieser Arbeit ist es gelungen, das Instrumentarium für die zelluläre Bildgebung mit Hilfe der Gentechnik zu erweitern, indem das Chromophor eines fluoreszierenden Proteins in einer Weise verändert wurde, die bisher nicht in Betracht gezogen worden war. Der Ansatz der Forscher der Universität Osaka wird nützlich sein, um den Bereich der erreichbaren Fluoreszenzwellenlängen von künstlich hergestellten Proteinen weiter zu erweitern, was den Forschern helfen wird, biologische Prinzipien aufzudecken, die für normale Gesundheit und Krankheit wichtig sind.