Hell und Schnell
Forschungsbericht (importiert) 2025 - Max Planck Institut für medizinische Forschung
Wie können wir biologische Prozesse in lebenden Zellen sichtbar machen? Das ist eine der zentralen Fragen, mit denen sich meine Abteilung für Chemische Biologie beschäftigt. Unser Ansatz besteht darin, spezielle Farbstoffe zu nutzen, die wir gezielt an bestimmte Proteine binden. So können wir beobachten, wo sich diese Proteine in der Zelle befinden, mit welchen anderen Molekülen sie wechselwirken und an welchen Vorgängen sie beteiligt sind.
Beliebt, aber begrenzt
Eine Technologie dafür haben wir bereits vor zwanzig Jahren eingeführt: das sogenannte SNAP-tag-System. Dabei koppeln wir ein kleines künstliches Protein, ein sogenannter Tag, an ein Zielprotein. An dieses Tag kann anschließend ein fluoreszierender Farbstoff binden, wodurch das Zielprotein sichtbar wird.
SNAP-tag hat sich in den Lebenswissenschaften zu einem populären und häufig genutzten Werkzeug entwickelt. Doch auch wenn das Verfahren inzwischen weit verbreitet ist, sind zugleich die Anforderungen an das Markierungssystem stetig gestiegen, insbesondere für Anwendungen in lebenden Zellen .
Zeit für ein Update
Es zeigte sich immer mehr, dass SNAP-tag in verschiedenen Bereichen an seine Grenzen stieß: Es markierte Proteine häufig zu langsam, und viele der moderneren Verbindungen aus Protein und Farbstoff drangen nur schlecht in lebende Zellen ein. Zudem war das mit SNAP-tag markierte Protein nicht hell genug, um damit besonders komplexe biologische Prozesse in lebenden Zellen zu untersuchen und mit hochauflösender Mikroskopie zu arbeiten. So kamen wir zu der Diagnose: SNAP-tag hat in mehreren Bereichen Optimierungsbedarf. Wir beschlossen: Es ist Zeit für Update. Das geht besser! Und so machten wir uns an die Arbeit.
Unser Ziel war es, eine verbesserte Version des Systems zu entwickeln, das wir SNAP-tag2 nannten. Unser Ansatz bestand aus zwei Schritten: Zum einen entwickelten wir neue Farbstoffe, die schneller und effizienter an das Tag binden und besser in Zellen eindringen. Zum anderen optimierten wir das SNAP-tag-Protein selbst. Das war eine der größten Herausforderungen in unserer Arbeit. SNAP-tag wurde ursprünglich aus einem menschlichen DNA-Reparaturprotein entwickelt. Ein bereits stark verändertes Protein weiter zu verändern, ist keine leichte Aufgabe. Doch mithilfe moderner Methoden wie Computermodellen, gezielten Mutationen und Auswahlverfahren im Labor veränderten wir seine Struktur so, dass es schneller reagiert und stärkere Leuchtsignale erzeugt.
100-mal schneller, fünfmal heller
Das Ergebnis ist ein deutlich leistungsfähigeres System, das viele Vorteile gegenüber der bisherigen Version bietet. SNAP-tag2 bindet bestimmte Farbstoffe rund 100-mal schneller als SNAP-tag. Außerdem erzeugt es bei einigen Farbstoffen ein bis zu fünfmal helleres Signal. Dadurch reichen bereits sehr geringe Farbstoffmengen aus, um Proteine sichtbar zu machen.
Wir testeten SNAP-tag2 in verschiedenen Zelltypen, darunter menschliche Zellen und auch Hefezellen, die wegen ihrer dicken Zellwand normalerweise schwer zu markieren sind. In allen Fällen funktionierte das neue System deutlich besser als die ältere Version. Auch bei hochauflösenden Mikroskopieverfahren, mit denen man Strukturen im Nanometerbereich sichtbar machen kann, lieferte SNAP-tag2 bessere Ergebnisse.
Besonders wichtig war uns, dass SNAP-tag2 auch in lebenden Zellen stabile und helle Signale liefert. Dadurch können wir biologische Prozesse nun in Echtzeit verfolgen, zum Beispiel Bewegungen von Zellbestandteilen oder Veränderungen in Organellen wie den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zellen.
Neue Chancen für die Zellbiologie
SNAP-tag2 erweitert die Möglichkeiten der Zellbiologie erheblich. Forschende können Proteine schneller, heller und damit deutlich besser sichtbar machen. Das erleichtert es enorm, grundlegende biologische Prozesse zu untersuchen, zum Beispiel Prozesse bei der Zellteilung, bei Signalwegen oder bei der Entstehung von Krankheiten. Bessere Untersuchungsbedingungen ermöglichen bessere Ergebnisse, die wiederum die Grundlage für ein tieferes Verständnis der Vorgänge in lebenden Zellen bilden. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems: SNAP-tag2 lässt sich problemlos in bestehende Messsysteme integrieren, was seine praktische Anwendbarkeit weiter erhöht.
Zusammenfassend zeigt unsere Studie, dass durch unsere gezielte Kombination aus chemischer Entwicklung und Protein-Design ein Werkzeug entstanden ist, das deutlich leistungsfähiger als das Vorgängermodell ist. SNAP-tag2 stellt aus unserer Sicht einen wichtigen Fortschritt für die moderne Mikroskopie und die Erforschung lebender Zellen dar.