Eine weltweite Studie mit Beteiligung von 20 Laboren hat eine Methode etabliert und standardisiert, um exakte Abstände innerhalb einzelner Biomolekülen bis auf ein Millionstel der Breite eines menschlichen Haares zu messen. Die neue 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 werden – das heißt um festzustellen, ob sich Moleküle angenähert oder weiter voneinander entfernt haben. Professor Jens Michaelis vom Ulmer Institut für Biophysik ist einer der leitenden Wissenschaftler der Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Methods veröffentlicht wurde.
FRET funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie Annäherungssensoren im Auto: Je näher das Objekt ist, desto lauter oder häufiger werden die Pieptöne. Statt auf Akustik zu setzen, basiert FRET auf abstandsabhängigen Änderungen des Lichts in Form der von zwei Garbstoffen emittierten Fluoreszenz und wird mithilfe empfindlicher Mikroskope detektiert. Die Technologie hat die Analyse der Bewegung und Interaktionen von Biomolekülen in lebenden Zellen revolutioniert.
Michaelis und Kollegen stellten sich vor, 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 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 Jens Michaelis, der die Studie gemeinsam mit Professor Thorsten Hugel (Universität Freiburg), Dr. Tim Craggs (University of Sheffield) und Professor Claus Seidel (Universität Düsseldorf) leitete. Solche dynamischen Strukturinformationen sind wichtig, um die molekulare Maschinerie, die die Grundlage des Lebens ist, besser zu verstehen.
Originalpublikation:
Hellenkamp B, Schmid S, et int., Michaelis J, Seidel CAM, Craggs TD, Hugel T: Precision and accuracy of single-molecule FRET measurements – a multi-laboratory benchmark study. In: Nature Methods DOI: 10.1038/s41592-018-0085-0; https://www.nature.com/articles/s41592-018-0085-0