Molekylær skala på biologiske membraner

Cellulære processer på membraner er ofte hurtige og kortvarige. Molekyler samles kort, adskilles igen, interagerer med forskellige partnere og bevæger sig langs eller gennem membranen. Det er derfor vigtigt ikke kun at studere statiske øjebliksbilleder af disse processer, men også for at forstå deres dynamik. Men hvordan kan dette opnås metodisk? Petra Schwille fra Max Planck Institute of Biochemistry og Nikolas Hundt fra Ludwig Maximilians University har sammen med deres team udviklet metoden Mass-Sensitive Particle Tracking—MSPT, som gør det muligt at analysere proteiner under dynamiske processer på membraner.

Udgangspunktet for biofysikerne var de seneste fremskridt inden for massefotometri, som allerede kunne bruges til at bestemme molekylmassen af ​​umærkede molekyler i opløsning. Det nye ved MSPT er, at dynamikken i membranassocierede proteiner nu kan spores i deres biologisk plausible miljø. I denne proces, individuelle proteiner identificeres ved deres molekylære masse uden behov for mærkning. Frederik Steiert, en af ​​de første forfattere til publikationen, siger:"Vi kan nu spore direkte på biologiske membraner, hvilken masse individuelle proteiner har, hvordan de bevæger sig, og hvordan de interagerer. Dette giver os mulighed for at studere dynamikken i biologiske systemer mere detaljeret." At analysere dynamiske processer er særligt vigtigt i biologi, da mange processer ved membranen er forbigående.

Massebestemmelse ved lysspredning

Hvilke principper bygger den nye metode på? Når lys rammer en partikel, lyset er spredt. Intensiteten af ​​det spredte lys afhænger af partiklens masse. Videoer, hvor individuelle proteiner på membraner gøres direkte synlige, optages med et mikroskop. Ved hjælp af analysesoftware disse proteiner kan spores og deres spredningssignal, og dermed deres masse, kan bestemmes. Dette er i øjeblikket muligt for proteiner med en molekylvægt på mindst 50 kDa, altså for en stor del af alle kendte proteiner. En anden fordel ved den nye MSPT-metode er, at proteiner ikke skal mærkes. Mærkning kan opnås, for eksempel, ved at fæstne fluorescerende tags til molekyler. Imidlertid, mærkning udgør en risiko for, at proteiner kan blive svækket i deres funktion, eller at de fluorescerende mærker kan bleges under forsøget. Ved at bruge MSPT, i modsætning, metodiske problemer, der kan opstå ved mærkning, forhindres.

MinDE proteinsystem

For at demonstrere metodens potentiale for biologiske spørgsmål, biofysikerne brugte et etableret system fra Schwille-laboratoriet:MinDE-proteinsystemet fra bakterien Escherichia coli (E. coli). MinD- og MinE-proteiner er involveret i E. coli-celledeling. Tamara Heermann, en anden førsteforfatter, siger:"Metoden tillader os at karakterisere egenskaber ved dynamiske systemer, der tidligere ikke var målbare. Dette gjorde det muligt for os ikke kun at verificere etablerede resultater om Min-systemet, men også for at få ny indsigt." Ved at bruge MSPT, holdet var i stand til at vise, at komplekserne af MinD-proteiner er større end først antaget. Ud over, eksperimenterne giver første indsigt i, at MinE kan fungere som en forbindelsesdel for MinD-proteiner, og at det dermed kan igangsætte membranfrigivelsen af ​​større komplekser.

Som rapporteret i den nye avis i Naturens metoder , MSPT giver værdifuld indsigt til at belyse dynamiske processer ved biologiske membraner. Imidlertid, forskerne arbejder løbende på at forbedre metoden yderligere. I fremtiden, metoden bør også være anvendelig til integrale membranproteiner, og den bør tillade påvisning af endnu mindre proteiner.