Die Vermessung der Nanowelt

Eine weltweite Studie mit Beteiligung von 20 Laboren hat eine Methode etabliert und standardisiert, um die Abstände innerhalb einzelner Biomoleküle bis auf ein Millionstel der Breite eines menschlichen Haares exakt zu messen. Die 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 Centre 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 Farbstoffe, die mithilfe empfindlicher Mikroskope angezeigt werden. Die Technologie hat die Analyse der Bewegung und der 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/Groß-Britannien), Prof. Dr. Claus Seidel (Universität Düsseldorf) und Prof. Dr. Jens Michaelis (Universität Ulm) leitete. Solche dynamischen Strukturinformationen führen zu einem besseren Verständnis der molekularen Maschinen und Prozesse, die für das Leben 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. In: Nature Methods DOI: 10.1038/s41592-018-0085-0