Hochleistungsmikroskopie für Membranrezeptoren

Als wichtige Schaltmoleküle sind Membranrezeptoren an nahezu allen Lebensprozessen beteiligt. Diese im allgemeinen komplex aufgebauten Proteine sitzen wie äußerst sensible Antennen in den äußeren Zellbegrenzungen, den Zellmembranen, und warten auf Signale, die in Form kleiner Moleküle, sogenannter Liganden, kommen und sich spezifisch und passgenau an die jeweiligen Rezeptoren anlagern können. Der Rezeptor ändert dann die chemische Gestalt und somit seine Eigenschaften und gibt so den Startschuss für andere Signal- oder auch Stofftransporte in der Zelle. Membranrezeptoren sind beispielsweise die Docking-Stationen für Adrenalin und Wachstumshormone, für Nikotin und Opiate.

Der neue Sonderforschungsbereich

Diese Rezeptoren stehen im Mittelpunkt eines jetzt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft neu eingerichteten Sonderforschungsbereiches „ReceptorLight“, an dem Wissenschaftler aus Jena und Würzburg beteiligt sind. Sprecher ist Professor Klaus Benndorf, Physiologe vom Universitätsklinikum Jena; stellvertretender Sprecher ist Professor Markus Sauer, Inhaber des Lehrstuhls für Biotechnologie und Biophysik der Universität Würzburg. In 22 Teilprojekten und mit einem ganzen Arsenal an Mikroskopietechniken wollen die Forscher die Schaltpläne verschiedenster  Membranrezeptoren weiter entschlüsseln. Je nach Fragestellung werden sie dazu auch an der Weiterentwicklung der Methoden und der Auswertung der gewonnenen Bilder arbeiten.

Technik aus Würzburg

Eine der eingesetzten Methoden ist die von Professor Markus Sauer entwickelte dSTORM-Technik, die durch die lichtinduzierte Steuerung der Fluoreszenz-Eigenschaften von Farbstoffen und die stochastische Auswertung vieler Einzelmolekülbilder eine extrem genaue Aussage über Ort und Anzahl von Molekülen erlaubt. „Um in einem Experiment die räumliche Verteilung von mehr als zehn verschiedenen Zielmolekülen darstellen zu können, brauchen wir ein mehrstufiges Markierungs-, Detektions- und Bleichverfahren, das wir auf verschiedene Farbstoffe ausweiten wollen“, beschreibt der Physikochemiker vom Biozentrum der Universität Würzburg das Programm eines Projektes, dass er zusammen mit Professor Rainer Heintzmann vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien und vom Institut für Physikalische Chemie in Jena bearbeitet.

Licht als physikalisches Werkzeug

In den vergangenen Jahren haben neue lichtmikroskopische Methoden zum besseren Verständnis der Arbeitsweise von Membranrezeptoren beigetragen. „Ein Hauptvorteil von Licht als physikalischem Werkzeug liegt dabei in seiner vergleichsweise geringen Störung biologischer Prozesse und Strukturen“, betont Professor Klaus Benndorf. „Damit waren substanziell neue Erkenntnisse zur Bindungsgeschwindigkeit, aber auch zur Lokalisation der Rezeptoren möglich, teilweise mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von 20 Nanometern, also weit unter der optischen Auflösungsgrenze“, so Benndorf weiter.

Molekulare Mechanismen der Gehirnentzündung

In einem ebenfalls an beiden Standorten des SFB beheimateten Projekt untersuchen der Jenaer Neurologe Professor Christian Geis und der Biophysiker PD Dr. Sören Doose die molekularen Mechanismen einer Gehirnentzündung, bei der die Patienten Autoantikörper gegen einen Glutamatrezeptor in der Zellmembran von Nervenzellen bilden. Von elektrophysiologischen Messungen, Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie und hochauflösender Bildgebung wie dSTORM dieses Rezeptors erwarten sich die Forscher Erkenntnisse zu den Grundprinzipien neurologischer Autoimmunerkrankungen mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung.

Würzburger Pflanzenforscher sind mit dabei

Und auch Rezeptoren in Pflanzenzellen stehen im Fokus der Wissenschaftler: Die Würzburger Pflanzenwissenschaftler Professor Rainer Hedrich und Professor Dietmar Geiger erforschen mittels hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer das Schaltverhalten von Rezeptoren des Trockenstresshormons, das die Spaltöffnungen reguliert.

Die ReceptorLight-Arbeitsgruppen in Würzburg und Jena bündeln ihr vielfältiges methodisches Können auf dem Gebiet der Hochleistungs-Lichtmikroskopie mit den Kenntnissen der Physiologie und Biophysik verschiedenster Membranrezeptoren. Dabei werden sie nicht nur hochmoderne lichtmikroskopische Methoden, sondern auch spezielle Algorithmen zur Bilddatenanalyse und ein eigenes Forschungs- und Bilddatenmanagement gemeinsam nutzen, die jeweils in eigenständigen Teilprojekten etabliert werden. „Wir wollen die Funktionsweise der Membranrezeptoren besser verstehen und dabei die Möglichkeiten der lichtmikroskopischen Bildgebung – sowohl in der räumlichen und zeitlichen Auflösung, als auch in der Komplexität der betrachteten biologischen Systeme – vorantreiben“, so Klaus Benndorf.

Kontakt

Prof. Dr. Klaus Benndorf, Institut für Physiologie II, Universitätsklinikum Jena
T: (03641) 934350, E-Mail: Klaus.Benndorf@med.uni-jena.de

Prof. Dr. Markus Sauer, Biozentrum, Universität Würzburg
T: (0931) 31-88687, E-Mail: m.sauer@uni-wuerzburg.de