Mass-Sensitive Particle Tracking Schwere Verfolgung von Membranproteinen

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Ludwig-Maximilians- Universität München

Max Planck-Institut für Biochemie

Auf biologischen Membranen geht es rund: Verschiedenste Proteine bewegen sich über und durch die Membranoberfläche. Um hier Funktionen und Wechselwirkungen zu untersuchen, braucht es Methoden, die die Dynamik der Proteine erfassen. Eine solche Technik hat nun ein Team von Biophysikern entwickelt. Sie verfolgen die Membranproteine über ihre Masse.

Planegg, München – Zelluläre Prozesse an Membranen sind oft schnell und kurzlebig: Moleküle verbinden sich, 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 Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) und Nikolas Hundt von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben gemeinsam mit ihrem Team die Methode Mass-Sensitive Particle Tracking entwickelt, kurz MSPT. Sie es erlaubt, Proteine während dynamischer Prozesse an Membranen zu analysieren.

Einzelne Proteine über ihre Masse verfolgen

Die Biophysiker gingen zunächst von neuen Entwicklungen in der Massenphotometrie aus, mithilfe 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.

Frederik Steiert, einer der Erstautoren der Publikation, sagt: „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.“ Das Analysieren von dynamischen Vorgängen ist in der Biologie besonders wichtig, da viele Vorgänge an der Membran sehr kurzlebig sind.

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Per Streulicht auf Partikeljagd

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.

Wie die Autoren in ihrer Studie berichten, liefert MSPT wertvolle Erkenntnisse zur Aufklärung dynamischer Prozesse an biologischen Membranen. Die Forscher arbeiten jedoch kontinuierlich daran, die Methode noch weiter zu verbessern. So soll sie zukünftig auch auf integralen Membranproteinen anwendbar sein und die Detektion noch kleinerer Proteine ermöglichen.

Originalpublikation: T. Heermann, F. Steiert, B. Ramm, N. Hundt and P. Schwille: Mass-sensitive particle tracking to elucidate the membrane-associated MinDE reaction cycle, Nature Methods volume 18, pages 1239–1246 (2021); DOI: 10.1038/s41592-021-01260-x

* Dr. C. Menzfeld, Max-Planck-Institut für Biochemie, 82152 Planegg

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