Die TU-Wien ent­wi­ckelt eine neue Tech­nik zur exak­te­ren Erfas­sung der Auf­ent­halts­orte von Pro­te­inen in der Zelle. Die neue Ent­wick­lung soll nun viele neue For­schungs­mög­lich­kei­ten in zahl­rei­chen wis­sen­schaft­li­chen Dis­zi­pli­nen ermöglichen. 

Pro­te­ine sind gleich­zei­tig Bau­steine und Werk­zeuge von Zel­len. Um bio­lo­gi­sche Pro­zesse zu ver­ste­hen, muss man oft genau wis­sen, wo sich wel­che Pro­te­ine in wel­cher Häu­fig­keit befin­den. Her­aus­for­dernd ist dabei, dass Pro­te­ine viel zu klein sind, um sie mit einem gewöhn­li­chen Licht­mi­kro­skop abzu­bil­den und dazu ist es schwie­rig, unter­schied­li­che Pro­te­ine zuver­läs­sig von­ein­an­der unter­schei­den zu können.

An der TU Wien gelang es nun mit einer neuen Kom­bi­na­tion aus Infra­rot-Spek­tro­sko­pie, Atom­kraft­mi­kro­sko­pie und maschi­nel­lem Ler­nen diese Pro­bleme zu lösen, und Pro­te­ine inner­halb einer Zelle mit einer Orts­auf­lö­sung von etwa 20 Nano­me­tern loka­li­sie­ren. Dadurch sol­len sich nun auch ganz neue For­schungs­mög­lich­kei­ten erge­ben – von der Medi­zin bis zur Biosprit-Produktion.

Ein inter­dis­zi­pli­nä­res Team
„Zel­len sind meist nur einige Mikro­me­ter groß, also tau­sends­tel eines Mil­li­me­ters. Und Struk­tu­ren, die deut­lich klei­ner sind als die Wel­len­länge des Lichts kön­nen mit Licht­mi­kro­sko­pen nicht auf­ge­löst wer­den“, erläu­tert Georg Ramer vom Insti­tut für Che­mi­sche Tech­no­lo­gien und Ana­ly­tik der TU Wien. Um nun Pro­te­ine inner­halb der Zelle sicht­bar zu machen, wer­den bestimmte Pro­te­ine mit Fluo­res­zenz­farb­stof­fen mar­kiert. Diese Mar­kie­run­gen kön­nen die Pro­te­ine und die Zelle aller­dings beeinflussen.

Ein inter­dis­zi­pli­nä­res Team aus den For­schungs­grup­pen des ana­ly­ti­schen Che­mi­kers Bern­hard Lendl und der Bio­tech­no­lo­gin Astrid R. Mach-Aigner hat nun eine neu­ar­tige Tech­nik zur Detek­tion von Pro­te­inen ent­wi­ckelt, die völ­lig ohne sol­che Mar­kie­run­gen aus­kommt. Die Mole­küle wer­den dabei über ihre Schwin­gun­gen iden­ti­fi­ziert. In einem wei­te­ren Schritt pro­du­ziert ein Atom­kraft­mi­kro­skop ein sehr prä­zi­ses topo­gra­phi­sches Bild der Proteine. 

Zahl­rei­che wei­tere Anwendungsmöglichkeiten
Bei der Aus­wer­tung der Mess­ergeb­nisse exis­tiert aller­dings noch ein wei­te­res Pro­blem. Die Mikro­or­ga­nis­men bestehen immer aus ähn­li­chen Bau­stei­nen (Anm. Fette, Koh­le­hy­drate, DNA und RNA) und absor­bie­ren daher Infra­rot­licht auf recht ähn­li­che Weise. Für den mensch­li­chen Betrach­ter sehen daher die Infra­rot­spek­tren fast alle gleich aus. „Wir set­zen daher auf Maschi­nen­ler­nen und füt­tern die Infra­rot­spek­tren mit einem Algo­rith­mus, der anhand von Refe­renz­mes­sun­gen lernt, wel­che Spek­tren einem Pro­tein zuge­ord­net wer­den kön­nen“, erklärt TU-Experte Georg Ramer.

Die Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten der neuen Methode sind breit. „Man kann auch bei vie­len ande­ren For­schungs­fra­gen neue Ergeb­nisse erzie­len und das erstreckt sich bis hin zum Thema Alte­rungs­pro­zesse in Kunst­wer­ken, zum Auf­spü­ren von Nano­plas­tik in der Umwelt oder der Ent­wick­lung neuer Werk­stoffe“, unter­streicht Bern­hard Lendl vom Insti­tut für Che­mi­sche Tech­no­lo­gien und Ana­ly­tik der TU Wien.