Ob, wann und wie schnell ein Molekül die Zellmembran durchdringen kann, sind grundlegende Fragen, die nur schwer zu beantworten sind. Forscher haben nun molekulare Bewegungsmelder entwickelt, die den Molekülverkehr durch die Membran in Echtzeit messen können.
Bisherige Methoden in der Membranforschung liefern nur begrenzte Informationen über den Weg eines Moleküls in die Zelle, sie sind sehr aufwendig, teuer oder erfordern die Arbeit mit radioaktiven Markierungen. Garima Ghale, Doktorandin aus der Arbeitsgruppe von Werner Nau, Professor für Chemie an der Jacobs University, hat jetzt eine neue, kostengünstige Methode entwickelt, mit der sich der Molekülverkehr in Echtzeit messen lässt. Im Zentrum der neuen Messtechnik steht ein spezieller Farbstoff, der seine Fluoreszenz in dem Moment ändert, in dem ein Zielmolekül, beispielsweise ein neuer Arzneistoff oder ein Toxin, die Membran passiert. Der Farbstoff, der in einer supramolekularen Verbindung vorliegt, also eingekapselt in ein großes makrozyklisches Molekül, fungiert dabei als hochempfindlicher molekularer Bewegungsmelder. Da der Membranverkehr mittels Fluoreszenz detektiert wird, eine in vielen Laboren angewandte Methode, können alle Bewegungen in Echtzeit verfolgt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass Moleküle die Membran extrem schnell durchqueren können. Die Bewegung eines Peptides (roter Strang) durch einen Membrankanal führt zur Fluoreszenz des Farbstoffs (rechts). © Jacobs University
In seiner ersten Studie hat das Forscherteam der Jacobs University, dem auch Mathias Winterhalter, Professor für Biophysik, und Maik Jacob, Postdoc in Chemie, angehören, die neue Methode bereits auf einige interessante Moleküle angewandt und beispielsweise Neurotransmitter, Anti-Alzheimer-Medikamente und eine neue Klasse antimikrobieller Peptide untersucht. „Mit unseren neuen Bewegungsmeldern können wir bestimmen, ob eine toxische Substanz durch einen spezifischen Membrankanal gelangen kann“, erklärt Dr. Jacob. „Immer dann, wenn eine solche Substanz nur in Bakterienzellen, nicht aber in menschliche Zellen eindringen kann, hat man möglicherweise ein neues Antibiotikum entdeckt.“ So haben die Wissenschaftler auch ein als Protamin bekanntes Protein untersucht, dessen eigentliche Funktion es ist, Erbinformation im Sperma dicht zu packen. Auch hier haben sich Hinweise auf eine antimikrobielle Wirksamkeit ergeben. Tatsächlich haben die neuen Bewegungsmelder signalisiert, dass Protamin in Sekundenschnelle durch Modelle von Bakterienmembranen gelangen kann.
Die neue entwickelte Methode kann in der Grundlagenforschung angewandt werden, wenn beispielsweise die Geschwindigkeit bestimmt werden soll, mit der verschiedene Substanzen die Membran durchqueren und die Zelle erreichen. Zudem kann sie in der pharmazeutischen Industrie bei der Suche und Charakterisierung neuer Wirkstoffe Anwendung finden. Originalpublikation: Chemosensorische Ensembles zur Echtzeitdetektion von Transportprozessen durch Biomembranen Garima Ghale et al.; Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.201309583; 2014
