Mikrobiologen und Biophysiker der Universität Bonn haben eine Methode entwickelt, die den Hochdurchsatzprozess zur Beobachtung von Molekülen um das Fünffache beschleunigt und so Einblicke in bisher unbekannte Zellfunktionen ermöglicht.
UV-Strahlen können Mutationen in unserer DNA verursachen, die möglicherweise zu Krebs führen können. Der menschliche Körper verfügt jedoch über einen Abwehrmechanismus, den er einsetzen kann. „Schäden an unserer DNA aktivieren Moleküle, die sie schnell reparieren, idealerweise bevor sich die Zelle teilt und der Schaden sich ausbreitet“, erklärt Koen Martens vom Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie der Universität Bonn. Doch wie schnell diese zelluläre Reparaturfunktion genau funktioniert, weiß niemand genau, was Martens nun herausfinden will.
Das ist allerdings leichter gesagt als getan, denn die bisherigen Methoden sind nicht leistungsfähig genug, um einzelne Moleküle genau zu verfolgen. „Bei der Einzelpartikelverfolgung wird das Molekül mit Fluoreszenzlicht markiert und so in eine Art Glühbirne verwandelt“, erklärt Martens.
„Anschließend machen wir mit einem hochauflösenden Mikroskop Hunderte von Fotos pro Sekunde. Unsere ‚Glühbirne‘ beleuchtet das Molekül in der Dunkelheit der Zelle und ermöglicht es uns, es zu beobachten und seine Bewegung über die Zeit zu verfolgen. So können wir es messen.“ Diffusion und wie sie mit anderen zellulären Komponenten interagiert.
Anhand der Lücken zwischen Molekülen und der Entfernungen, die ein einzelnes Molekül von einem Foto zum anderen zurücklegt, können die Forscher erkennen, ob sich die Partikel frei in der Zelle bewegen oder mit anderen Molekülen interagieren.
Was die DNA-Reparatur betrifft, zeigt dies an, wann die Enzyme ihre Reparaturarbeiten durchführen – wann sie mit der DNA interagieren – und wann sie „untätig“ sind, also frei in der Zelle diffundieren.
Die Methode hat jedoch einen Nachteil. „Es ist schwierig, mehrere Moleküle gleichzeitig zu verfolgen“, erklärt Martens. „Wenn sich ihre Wege kreuzen oder sie zu nah beieinander sind, verschmelzen praktisch zwei Glühbirnen. Dann ist es unmöglich, ihre Bewegungen zu identifizieren.“
Bisher mussten Mikrobiologen daher Moleküle nacheinander in einem zeitaufwändigen Prozess untersuchen, der zu langwierig ist, um den DNA-reparierenden Molekülen „bei der Arbeit“ zuzusehen. Tatsächlich dauert die Verfolgung einzelner Partikel derzeit länger als der Reparaturprozess selbst.
Um das Problem zu lösen, hat Martens ein Stück geschaffen Software um den Hochdurchsatzprozess zu beschleunigen. TARDIS (kurz für „temporale Analyse relativer Distanzen“) führt mit zunehmender Zeitverzögerung eine Gesamtanalyse der Abstände zwischen Orten, also der Positionen des Moleküls in den einzelnen Fotos, durch. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Naturmethoden.
Statt sich wie bisher auf einzelne Punkte zu konzentrieren, betrachtet es den gesamten Bewegungsablauf innerhalb der Zelle und nimmt so alle Moleküle gleichzeitig unter die Lupe. „TARDIS macht den Messvorgang ohne Informationsverlust mindestens fünfmal schneller“, sagt Martens.
Damit kann er sich nun dem verbleibenden Teil seines Forschungsprojekts widmen und mithilfe von TARDIS die Prozesse bei der DNA-Reparatur genauer untersuchen. „Mich interessiert vor allem die Untersuchung, wie leicht oder schwer bestimmte Schäden zu reparieren sind und wie stark die DNA durch eine bestimmte Dosis UV-Strahlung oder Chemikalien geschädigt wird“, sagt Martens.
Mehr Informationen:
Koen JA Martens et al.: Die zeitliche Analyse relativer Distanzen (TARDIS) ist eine robuste, parameterfreie Alternative zur Einzelpartikelverfolgung. Naturmethoden (2024). DOI: 10.1038/s41592-023-02149-7