Proteinforschung in kleinsten Dimensionen dank neuer Biochip-Technologie
Lag das Augenmerk der molekularen Medizin bis vor kurzem noch auf der Ebene der Gene, hat es sich jetzt auf die nächst höhere Ebene der Proteine ausgeweitet. Inzwischen ist die eingehende Charakterisierung von Struktur, Funktion und Wechselwirkung der Proteine eine zentrale Fragestellung in der molekularen Medizin. Treten im komplizierten Wechselspiel zwischen den rund 500.000 bis 1.000.000 Proteinen in der menschlichen Zelle Fehler auf, etwa Protein-bedingte Stoffwechselstörungen, äußern diese sich häufig in Form von Krankheiten. Da die zugrunde liegenden zellulären Prozesse aber bisher nicht ausreichend erforscht sind, weiß man nicht, an welcher Stelle ein möglicher Wirkstoff eingreifen und den Defekt beheben könnte.
Das Experimentieren mit den empfindlichen Proteinmolekülen ist mit zwei grundsätzlichen Schwierigkeiten verbunden: Erstens muss ihre Funktion auch in der künstlichen Umgebung des Laborexperiments ähnlich sein wie in der Zelle (es müssen physiologische Bedingungen herrschen). Zweitens gilt es, das zu untersuchende Protein in ausreichenden Mengen für eine Analyse zu isolieren. Beide Bedingungen erfüllt ein nanoskaliger Biochip, den Forscher vom Institut für Biochemie an der Universität Frankfurt gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Institutes für Biochemie in Martinsried entwickelten. Er ermöglicht schnell durchführbare Funktionstests mit verschiedenen Kontrollproteinen und geringen Analytmengen.
Mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops ist es den Forschern gelungen, Proteine im Nanometermaßstab auf einem Chip anzuordnen. Die so genannte native Protein-Nanolithographie (NPNL) erlaubt es zum ersten Mal, Proteinarrays (Anordnungen auf einer Fläche) unter physiologischen Bedingungen herzustellen, wie sie auch in der Zelle herrschen. Da auf diese Weise die Funktionalität der Biomoleküle erhalten bleibt, kann man nun auch mit empfindlichen Proteinen und sogar ganzen Proteinkomplexen experimentieren.
Die Wissenschaftler um Prof. Robert Tampé an der Universität Frankfurt setzten das Rasterkraftmikroskop in einem besonderen Schwingungszustand (Kontaktoszillationsmodus) ein, der es erlaubt, auf Chipoberflächen plazierte Proteine zu entfernen und durch andere Proteine mithiulfe von Selbstorganisationsprozessen zu ersetzen. Mit dieser Technologie wird eine schonende Prozessierung von Chipoberflächen ermöglicht. In Analogie zur Formatierung von wiederbeschreibbaren Datenträgern wie Computerfestplatten oder CD-ROMs können die geschriebenen Nanostrukturen aus Proteinen wieder gelöscht und neu beschrieben werden. Diese Wiederbeschreibbarkeit der Proteinarrays befähigt zur Fabrikation von komplexen Protein-Anordnungen, bestehend aus unterschiedlichen Spezies und Biofunktionalitäten, auf Oberflächen.
Die derzeitige Auflösungsgrenze für die Herstellung dieser Arrays liegt bei 50 Nanometern, die bereits schon nahe an der Größe der Proteine liegt. Eine Erhöhung der Komplexität und gleichzeitig weitere Verkleinerung der Nanostrukturen ist das nächste Ziel der Frankfurter Biochemiker. Nanokatalytische Zentren mit biologischer Aktivität und synthetische Maschinen werden die Anwendungsfelder der Nanobiotechnologie als Forschungs- und Fabrikationswerkzeug ausdehnen. Eine Vision ist die Herstellung von bioaktiven Sensoren mit Einzelmolekülempfindlichkeit.
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