Biochemiker verwenden neues Werkzeug, um mRNA mit Licht zu kontrollieren

Ein Forscherteam des Instituts für Biochemie der WWU hat herausgefunden, dass sie mit sogenannten FlashCaps die Translation von mRNA mit Licht steuern können. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturchemie.

DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist eine lange Molekülkette, die aus vielen einzelnen Bausteinen besteht und die Grundlage des Lebens auf der Erde bildet. Die Funktion der DNA besteht darin, alle genetischen Informationen zu speichern. Die Übersetzung dieser genetischen Information in Proteine, die ein Organismus zum Funktionieren, Entwickeln und Vermehren benötigt, erfolgt über mRNA (Boten-Ribonukleinsäure). Die DNA wird in mRNA umgeschrieben und die mRNA wiederum in Proteine ​​übersetzt (Proteinbiosynthese). Mit anderen Worten, die mRNA fungiert als Informationsträger. Biochemiker der Universität Münster haben jetzt ein neues biochemisches Werkzeug entwickelt, das die Translation von RNA mithilfe von Licht steuern kann. Mit diesen sogenannten FlashCaps können Forscher eine Vielzahl von Vorgängen in Zellen räumlich und zeitlich steuern und so grundlegende Funktionen von Proteinen bestimmen.

Hintergrund und verwendete Methode

Die Funktionen einer Zelle hängen von speziellen Molekülen ab – den Enzymen. Enzyme sind Proteine, die an chemischen Reaktionen in der Zelle beteiligt sind. Sie helfen bei der Synthese von Stoffwechselprodukten, erstellen Kopien von DNA-Molekülen, bereiten Energie für die Aktivitäten einer Zelle vor, modifizieren die DNA und bauen bestimmte Moleküle ab. Um ein Werkzeug zu entwickeln, mit dem Wissenschaftler nicht nur bestimmen können, welche Enzyme welche Funktionen erfüllen, sondern auch, was passiert, wenn diese nur an bestimmten Stellen aktiviert werden, hat das Forscherteam um Prof. Andrea Rentmeister vom Institut für Biochemie der WWU verwendet chemisch synthetisierte FlashCaps. FlashCaps sind mit einer sogenannten photolabilen Schutzgruppe – chemische Gruppen, die durch Bestrahlung mit Licht entfernt werden können – ausgestattet und werden während der RNA-Synthese in die mRNA eingebaut.

Das Besondere an dieser Strategie ist, dass hier im Gegensatz zu anderen Studien keine Modifikation der mRNA-Sequenz erfolgen muss. Alles, was erforderlich ist, ist der Einbau eines kleinen Moleküls (der FlashCap), um die Translation einer langen mRNA fast vollständig zu blockieren. Nach Bestrahlung mit Licht erfolgt die Rückkehr zur natürlichen mRNA – ohne jegliche Modifikationen. „Durch den Einsatz unserer FlashCaps“, erklärt Nils Klöcker, einer der Erstautoren der Studie und promovierter Dr. Student am Institut für Biochemie, „ist es nun jedem Labor der Welt möglich, jede interessierende mRNA ohne zusätzliche Schritte mit Licht zu aktivieren.“

Durch aufwändige organisch-chemische Synthese gelang es dem Münsteraner Forscherteam die FlashCaps zu entwickeln – ein Molekül zur Steuerung der mRNA-Translation mittels Licht. Sie zeigten, dass diese Strategie die Translation effektiv hemmt und nach Bestrahlung mit Licht in Zellen reaktiviert. Der Unterschied zwischen diesem Ansatz und anderen Strategien besteht nicht nur darin, dass die FlashCaps von jedem Labor verwendet werden können – ohne dass spezielles Fachwissen oder spezielle Protokolle oder Modifikationen erforderlich sind – sondern auch darin, dass die mRNA nach der Bestrahlung in ihrer natürlichen Struktur vorliegt, die erleichtert das Studium natürlicher Prozesse in Zellen.

Die Forscher zeigten in ihrer Arbeit, dass sie mit FlashCaps erfolgreich die Translation von mRNA mittels Licht steuern konnten. Sie demonstrierten dies für vier verschiedene mRNAs in zwei verschiedenen Zelllinien. „Das ist ein bedeutender Fortschritt, um anderen Forschern die räumliche und zeitliche Kontrolle über die Translation der von ihnen erforschten mRNA zu ermöglichen“, sagt Florian Weissenböck, ebenfalls vom Institut für Biochemie. „FlashCaps haben das Potenzial, das Methodenspektrum in jedem mRNA-Labor zu erweitern.“