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IR-Differenz-Spektroskopie Interaktionen von Membranproteinen mit Infrarotspektroskopie verfolgen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Um die Wirkung von Medikamenten genauer zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler der Ruhr-Uni Bochum nun die Infrarotspektroskopie. Mit ihr untersuchen sie die Funktionsweise von Proteinen. Hierzu binden sie die Proteine über Lipide an Germaniumoberflächen, was sie zugänglich für die IR-Spektroskopie macht.

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An den Germaniumkristall (grau) hefteten die Bochumer Forscher Sauerstoffatome und erzeugten dadurch sogenanntes „aktiviertes Germanium“. Dieses diente als Andockstelle für Triethoxysilane, an die sich wiederum Proteine mit His-Tag binden lassen – zum Beispiel Ras. Das Schalterprotein Ras kann zwei Zustände – „An“ und „Aus“ – annehmen, die die Forscher mit der Infrarot-Differenz-Spektroskopie im Detail untersuchen konnten.
An den Germaniumkristall (grau) hefteten die Bochumer Forscher Sauerstoffatome und erzeugten dadurch sogenanntes „aktiviertes Germanium“. Dieses diente als Andockstelle für Triethoxysilane, an die sich wiederum Proteine mit His-Tag binden lassen – zum Beispiel Ras. Das Schalterprotein Ras kann zwei Zustände – „An“ und „Aus“ – annehmen, die die Forscher mit der Infrarot-Differenz-Spektroskopie im Detail untersuchen konnten.
(Bild: Ruhr-Uni Bochum/modifiziert nach JACS)

Bochum – Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, um Proteine an die Oberfläche von Germaniumkristallen zu heften – erstmals auch Membranproteine. Das erlaubt, Interaktionen zwischen Molekülen mittels Infrarotspektroskopie zeitaufgelöst bis auf einzelne Atome genau zu verfolgen. Das Verfahren setzen sie im EU-Projekt „Kinetics for Drug Discovery, K4DD“ ein, in dem Wissenschaftler das Zusammenspiel von Arzneistoffen und ihren Interaktionspartnern ergründen.

Mit der neuen Technik können sie nun auch so genannte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren untersuchen, die Wirkort für viele Medikamente sind. Das Team um Prof. Dr. Klaus Gerwert, PD Dr. Carsten Kötting und Jonas Schartner vom Lehrstuhl Biophysik beschrieb ihre Arbeit in einem kürzlich veröffentlichten Artikel.

Proteine über Elektronenpaarbindungen an Germanium heften

Mit der Infrarot (IR)-Differenz-Spektroskopie analysieren Forscher dynamische Vorgänge in Proteinen. In einer früheren Studie war es Bochumer Biophysikern bereits gelungen, Proteine über Lipide an Germaniumoberflächen zu binden und sie so der IR-Spektroskopie zugänglich zu machen. Dabei strahlen die Forscher in den Germaniumkristall Infrarotlicht ein, das vielfach an dessen Grenzflächen reflektiert wird. Ein Teil des Lichts tritt aus dem Kristall aus und erreicht so die auf der Oberfläche gebundenen Proteine. Früher nutzten die Forscher hydrophile Wechselwirkungen zwischen Kristall und Lipid – also Wechselwirkungen zwischen polaren Molekülgruppen – für die Bindung.

Bei dem neuen Verfahren koppeln sie die Proteine über eine Elektronenpaarbindung an das Germanium. Diese ist stabiler und funktioniert sowohl für lösliche als auch für Membranproteine. „Membranproteine benötigen eine Art Seife als Außenhülle, ein Detergenz, welches eine Lipidschicht abwäscht. Unsere neu entwickelte Oberfläche bleibt im Gegensatz dazu stabil“, sagt Jonas Schartner.

Chemisches Baukastensystem

Wie bei einem Baukastensystem platzierten die Wissenschaftler verschiedene Molekülschichten übereinander auf dem Germaniumkristall. Zunächst erzeugten sie auf der Germaniumoberfläche Hydroxylgruppen, die jeweils ein Sauerstoff- und ein Wasserstoffatom besitzen. Das Produkt bezeichnet man als aktiviertes Germanium. Die nächste Schicht bildete eine neue Art von Triethoxysilanen, eine Kohlenwasserstoffverbindung, die das RUB-Team selbst herstellte. Ein Ende der Triethoxysilane verankerten die Forscher kovalent, also über eine Elektronenpaarbindung, am Germanium. Das andere Ende bauten sie zu einem Proteinfänger um. An diesen lassen sich alle Proteine knüpfen, die einen bestimmten Adapter, das His-Tag, tragen. „Es sind bereits viele Proteine mit diesem Universaladapter verfügbar“, sagt Carsten Kötting.

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