Mass-Sensitive Particle Tracking: Molekulare Waage auf biologischen Membranen

An Mem­bra­nen find­et ein Großteil von biol­o­gisch rel­e­van­ten Prozessen statt. Die Dynamik dieser Prozesse in Echtzeit und ohne Störung des biol­o­gis­chen Sys­tems zu studieren, ist bis heute eine große method­is­che Her­aus­forderung. Ein Team um Petra Schwille, Direk­torin am Max-Planck-Insti­tut für Bio­chemie (MPIB), und Niko­las Hundt von der Lud­wig-Max­i­m­il­ians-Uni­ver­sität München (LMU) hat hier­für nun eine neue Meth­ode entwick­elt: Mass-Sen­si­tive Par­ti­cle Track­ing (MSPT). Mit MSPT lassen sich die Bewe­gun­gen und Reak­tio­nen einzel­ner unmarkiert­er Pro­teine auf biol­o­gis­chen Mem­bra­nen allein über ihre Masse bes­tim­men. Die Meth­ode wurde in Nature Meth­ods veröffentlicht.
Zel­luläre Prozesse an Mem­bra­nen sind oft schnell und kur­zlebig. Moleküle verbinden sich kurzzeit­ig, tren­nen sich wieder, inter­agieren mit unter­schiedlichen Part­nern und bewe­gen sich ent­lang der Mem­bran oder durch sie hin­durch. Daher ist es bei diesen Vorgän­gen wichtig, nicht nur sta­tis­che Momen­tauf­nah­men zu unter­suchen, son­dern die ablaufend­en Prozesse in ihrer Dynamik zu ver­ste­hen. Wie jedoch gelingt dies method­isch? Petra Schwille vom MPIB und Niko­las Hundt von der LMU haben gemein­sam mit ihrem Team die Meth­ode Mass-Sen­si­tive Par­ti­cle Track­ing — MSPT entwick­elt, die es erlaubt, Pro­teine während dynamis­ch­er Prozesse an Mem­bra­nen zu analysieren.

Analyse dynamischer Prozesse an biologischen Membranen

Die Biophysiker:innen gin­gen zunächst von neuen Entwick­lun­gen in der Massen­pho­tome­trie aus, mit Hil­fe der­er bere­its die moleku­lare Masse von unmarkierten Molekülen in Lösung bes­timmt wer­den kon­nte. Neu bei MSPT ist, dass nun auch die Dynamiken von mem­branas­sozi­ierten Pro­teinen in ihrer biol­o­gisch plau­si­blen Umge­bung nachver­fol­gt wer­den kön­nen. Dabei wer­den einzelne Pro­teine über ihre moleku­lare Masse iden­ti­fiziert, ohne dass sie markiert wer­den müssen.

„Wir kön­nen nun direkt an biol­o­gis­chen Mem­bra­nen ver­fol­gen, welche Masse einzelne Pro­teine haben, wie sie sich bewe­gen und wie sie inter­agieren. So kön­nen wir die Dynamik biol­o­gis­ch­er Sys­teme genauer untersuchen.“
— Fred­erik Steiert, Erstau­tor der Publikation

Massenbestimmung durch Lichtstreuung

Auf welchen Prinzip­i­en basiert die neue Meth­ode? Wenn Licht auf ein Par­tikel trifft, wird dieses gestreut. Die Inten­sität des gestreuten Licht­es hängt von der Masse des Par­tikels ab. Am Mikroskop wer­den Videos aufgeze­ich­net, in denen einzelne Pro­teine auf Mem­bra­nen direkt sicht­bar gemacht wer­den. Mith­il­fe ein­er Analy­sesoft­ware kön­nen sie ver­fol­gt und ihr Streusig­nal, und somit die Masse, bes­timmt wer­den. Möglich ist dies aktuell bei Pro­teinen deren Moleku­largewicht min­destens 50 kDa beträgt, also für einen großen Teil der bekan­nten Pro­teine. Ein weit­er­er Vorteil der neuen MSPT Meth­ode beste­ht darin, dass Pro­teine nicht speziell gekennze­ich­net — „gela­belt“ — wer­den müssen. Labeln lassen sich Moleküle beispiel­sweise durch das Anbrin­gen flu­o­reszieren­der Markierun­gen. Allerd­ings beste­ht beim Labeln die Gefahr, dass Pro­teine in ihrer Funk­tion beein­trächtigt wer­den oder die flu­o­reszieren­den Markierun­gen während der Unter­suchung aus­ble­ichen. Bei MSPT hinge­gen wer­den method­is­che Prob­leme, die durch das Labeln entste­hen kön­nen, ausgeschlossen.

MinDE Proteinsystem

Um das Poten­zial der Meth­ode für biol­o­gis­che Fragestel­lun­gen zu demon­stri­eren, nutzten die Biophysiker:innen ein etabliertes Sys­tem aus dem Schwille-Labor: Das MinDE Pro­tein­sys­tem aus dem Bak­teri­um Escherichia coli (E. coli). Die Pro­teine MinD und MinE sind an der Zell­teilung von E. coli beteiligt. Tama­ra Heer­mann, eine weit­ere Erstau­torin, berichtet: „Die Meth­ode ermöglicht es bish­er nicht mess­bare Eigen­schaften von dynamis­chen Sys­te­men zu charak­ter­isieren. Dadurch kon­nten wir nicht nur etablierte Ken­nt­nisse über das Min-Sys­tem ver­i­fizieren, son­dern auch neue hinzugewin­nen.“ Durch MSPT kon­nte das Team zeigen, dass die Kom­plexe aus MinD Pro­teinen größer sind als zunächst angenom­men. Zudem liefern die Exper­i­mente erste Erken­nt­nisse, dass MinE als Verbindungsstück für MinD Pro­teine fungieren und so eine Mem­bran­freiset­zung von größeren Kom­plex­en ini­ti­ieren kann.
Wie im neuen Nature Meth­ods Artikel berichtet wird, liefert MSPT wertvolle Erken­nt­nisse zur Aufk­lärung dynamis­ch­er Prozesse an biol­o­gis­chen Mem­bra­nen. Die Forschen­den arbeit­en jedoch kon­tinuier­lich daran, die Meth­ode noch weit­er zu verbessern. So soll die Meth­ode zukün­ftig auch auf inte­gralen Mem­bran­pro­teinen anwend­bar sein und die Detek­tion noch kleiner­er Pro­teine ermöglichen.