Winziges Goethe-Logo in 3D

Grün leuchtende Struktur besteht aus licht-aktivierbaren Molekülen

Veröffentlicht am: Montag, 26. Mai 2014, 13:54 Uhr (150)

FRANKFURT. Biologische Prozesse auf molekularer Ebene zeitlich und räumlich präzise steuern zu können, spielt eine Schlüsselrolle in den Lebens- und Materialwissenschaften. Biochemikern der Goethe-Universität ist es gelungen, eine winzige dreidimensionale Struktur aus Biomolekülen zu bauen, die mit Licht aktiviert werden. Auf dem Titelbild der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ demonstrieren sie dies anhand des Goethe-Kopfes im Logo der Universität.

Dreht man die Aufnahme des grün leuchtenden Goethe-Kopfes am Computerbildschirm, zeigt sich, dass Haare, Gesicht sowie Hals und Schulterpartie in unterschiedlichen Ebenen liegen. Die Struktur besteht aus dem Molekül Glutathion und wurde mittels dreidimensionaler Mikroskopie in ein Gel gezeichnet. Glutathion hat zusammen mit dem Protein Glutathion-S-Transferase (GST) im menschlichen Körper eine entgiftende Wirkung. Molekül und Protein binden nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip aneinander.

Schon vor zwei Jahren hatte Volker Gatterdam in der Forschergruppe um Prof. Robert Tampé vom Institut für Biochemie eine Molekül-Protein-Verbindung verwendet, um mit einem Laser mikroskopisch kleine Bilder zu zeichnen. Das Glutathion wurde dazu mit einer licht-aktivierbaren Schutzgruppe versehen, so dass es nicht an GST binden kann. Sobald die Schutzgruppe durch Licht abgespalten wird, reagiert es mit einem grün fluoreszierenden Rezeptor. In Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen um Prof. Alexander Heckel (Organische Chemie und Chemische Biologie) und Prof. Josef Wachtveitl (Physikalische und Theoretische Chemie) entwickelte Volker Gatterdam nun eine neue Variante des licht-aktivierbaren Glutathions, das mit einem Zwei-Photonen-Laser aktiviert wird.

Das Besondere am Zwei-Photonen-Laser ist seine hohe räumliche Auflösung, also die Genauigkeit, mit der ein ganz bestimmter Punkt angesteuert werden kann. Ander als bei der herkömmlichen Mikroskopie, bei der nur ein Photon des Lasers ein Molekül anregt, regen hier zwei Photonen gleichzeitig die Schutzgruppe des Glutathions an und spalten sie sehr präzise ab. Weniger Millisekunden später kann dann ein grün fluoreszierender Rezeptor binden und das Muster sichtbar machen.

Die hohe Photonendichte des Zwei-Photonen-Lasers kann nur in einem winzig kleinen Volumen von etwa dem Volumen einer einzelnen Bakterienzelle) erreicht werden. „Das ist ein großer Vorteil“, erläutert Volker Gatterdam, „Man kann auf diese Weise kleinste Punkte genau ansteuern, und das in drei Dimensionen“. So konnte er die verschiedensten 3D-Bilder „schreiben“, vom Goethe-Kopf über Marylin Monroe, bis hin zu einem QR-Code. Das Aufleuchten lässt sich in Echtzeit beobachten.

Diese Experimente legen den Grundstein für viele weitere. Da der Zwei-Photonen-Laser für Zellen deutlich weniger schädlich ist und tiefer eindringen kann, bietet sich dieses System auch für Experimente mit menschlichem Gewebe und Organen an. Es ist zum Beispiel denkbar, zelluläre Prozesse präzise, an einer bestimmten Stelle mit hoher zeitlicher Auflösung auszulösen.

Publikation: Volker Gatterdam et al.: Dreidimensionale Proteinnetzwerke durch Zwei-Photonen-Aktivierung, in: Angewandte Chemie, Bd. 126 /2014), S. 1-6, DOI: 10.1002/ange.201309930

Ein Video zum Download finden Sie hier.

Informationen: Prof. Robert Tampé, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798-29475, tampe@em.uni-frankfurt.de