Entwicklung schaltbarer Fluorophore für Bioimaging

Der neue Biosensor ermöglicht die Messungen der Konzentrationen verschiedener Moleküle in Zellen anhand der Farbe des emittierten Lichts

24. September 2020

Forscher der Abteilung Chemische Biologie am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg haben eine neue Klasse von Fluorophoren mit schaltbarer Emissionsfarbe entwickelt. Diese ermöglichen die Einführung neuer Biosensoren für die Quantifizierung von biochemischen Prozessen in lebenden Zellen. Die Arbeit wurde im August in Angewandte Chemie veröffentlicht.

Die Messung der Konzentrationen von Biomolekülen in lebenden Zellen ist ein Schlüssel zum Verständnis zellulärer Vorgänge. Biosensoren, die dazu bisher verwendet wurden, enthielten zwei synthetische Fluorophore, und die Anwendung in lebenden Zellen war technisch schwierig.

Semisynthetischer Calcium-Biosensor, der die Color-Switching Fluorophores verwendet. Die Calciumbindung verschiebt das Gleichgewicht zwischen der rot und grün fluoreszierenden Form des Fluorophors.

„Wir wollten einen Sensor entwickeln, der keine zwei Fluorophore benötigte“, erklärt Lu Wang, Erstautor der Veröffentlichung und Postdoktorand in der Abteilung für Chemische Biologie am MPI für medizinische Forschung. Deshalb entwickelte er eine neue Klasse von Fluorophoren, die reversibel zwischen zwei Formen hin- und hergeschaltet werden können. In der einen wird grünes und in der anderen rotes Licht emittiert. Das Gleichgewicht der beiden Zustände hängt von der unmittelbaren Umgebung ab. Julien Hiblot, ebenfalls Wissenschaftler in der Abteilung von Kai Johnsson, nutzte das neue Fluorophor, um einen Biosensor für Calciumione zu konstruieren, die in der Zelle eine essentielle Botenfunktion haben. Das von ihm verwendete Proteinmolekül konnte Calcium binden, was das vom ebenfalls gebundenen Fluorophor emittierte Licht veränderte. Die beiden Forscher entwickelten darüber hinaus zahlreiche Sensoren für andere zelluläre Stoffe. In manchen Fällen erreichten diese eine 2400-fache Änderung im Verhältnis der beiden Fluoreszenzen: Diese Veränderungen sind dramatisch größer als die aller bisher in der Abteilung entwickelten Sensoren, was entsprechend die Empfindlichkeit der damit durchgeführten Messungen erhöht.

„Diese Arbeit stellt ein grundsätzlich neues Konzept dar und macht den Weg frei für die Entwicklung weiterer halbsynthetischer Sensoren auf der Basis von Engineering mit Molekülen und Proteinen“, sagt Julien Hiblot. Künftig werden Wang und Hiblot intensiv an der Entwicklung weiterer Sensoren mit änderbarer Emissionsfarbe arbeiten. Sie erwarten, dass diese neuen Werkzeuge bald auch Anwendung bei anderen Fragestellungen finden werden.  

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