Um zu verstehen, warum sich eine Zelle teilt, Hormone ausschüttet oder ein Signal an eine andere Zelle weiterleitet, bedienen sich Biologen oft eines Tricks. Sie bringen farbige Lichter an den interessierenden Proteinen an, damit sie die Bewegungen und Wechselwirkungen dieser Proteine in lebenden Zellen unter dem Mikroskop verfolgen können. Je mehr Farben dieser Lichter zur Verfügung stehen, desto mehr Prozesse können sie gleichzeitig verfolgen.
In den 1990er Jahren verwendeten Wissenschaftler erstmals ein fluoreszierendes Protein als farbigen Marker in einer Zelle. Dieses Protein war grün und stammte von einer fluoreszierenden Qualle. Durch das Basteln mit diesem grünen Protein folgten blaue, türkise und gelbe Varianten. In den 2000er Jahren wurde in Korallen ein rot fluoreszierendes Protein entdeckt. Aber die Umwandlung dieses Proteins in ein brauchbares und leuchtend rotes Licht für die Zellforschung erwies sich als viel schwieriger.
Erstellung von mScarlet3
Im Jahr 2016 gelang es dem Team des Biologen Dorus Gadella von der Universität Amsterdam, ein neues leuchtend rot fluoreszierendes Protein zu entwickeln, das einen großen Sprung nach vorne machte. Sie nannten dieses Protein mScarlet. Ihr rot leuchtendes Protein wurde schnell von der wissenschaftlichen Welt aufgegriffen. Die für mScarlet kodierende DNA wurde etwa 3.400 Mal angefordert und wird heute in fast allen Ländern der Welt für die zellbiologische Forschung verwendet.
Leider stellte sich heraus, dass sich das mScarlet-Protein in Säugetierzellen langsamer und weniger vollständig faltete als die üblicherweise verwendeten grün fluoreszierenden Proteine, was dazu führte, dass die Helligkeit in diesen Zellen nicht optimal war. Daher arbeitete das Team weiter an dem Protein und versuchte, die Faltung zu beschleunigen und zu maximieren.
Sie verwendeten zwei von ihnen bereits entwickelte Varianten von mScarlet, eine mit schneller Faltung, aber geringerer Helligkeit und eine mit langsamer Faltung, aber letztendlich heller Fluoreszenz. Sie versuchten, die positiven Eigenschaften dieser beiden in einem neuen Protein zu kombinieren. Mit Hilfe einer Reihe von gezielten Veränderungen in der Struktur des Proteins gelang ihnen dies, woraus mScarlet3 hervorging. Diese neueste Variante kombiniert jetzt maximale Helligkeit mit schnellem und vollständigem Zusammenklappen.
Um schließlich die Struktur von mScarlet3 zu testen, schickten die Biologen ihre Kreation an das Institut de Biologie Structurale in Grenoble (CNRS, CEA, Université Grenoble Alpes). Der Strukturbiologe Antoine Royant verwendete das Europäische Synchrotron ESRF, die hellste Röntgenquelle der Welt, um die molekulare Struktur des Proteins zu kartieren.
Royant sagt: „Es stellte sich heraus, dass mScarlet3 aufgrund einer speziellen hydrophoben (öligen) lokalen Struktur im Protein so hell ist, was die Faltung des Proteins sowohl beschleunigt als auch verbessert.“
Die neuesten Forschungsergebnisse des Teams werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmethoden.
Neuer Maßstab
Mit dieser neuen, stark verbesserten Version des rot fluoreszierenden Proteins ist die Werkzeugkiste, die den Wissenschaftlern im Labor zur Verfügung steht, jetzt vollständiger denn je. Gadella bemerkt: „Die Erfahrungen mit mScarlet waren bereits sehr positiv, weshalb wir davon ausgehen, dass mScarlet3 bei Forschern noch beliebter werden und schnell zum neuen Standard weltweit werden wird. Leuchtend rot fluoreszierende Proteine sind wegen der Anregung dieser roten Proteine sehr gefragt ist weniger schädlich für die Zellen als aufregende grüne Proteine.
„Außerdem wird rotes Licht weniger gestreut, wodurch man mit dem Mikroskop auch molekulare Vorgänge in tieferen Zellschichten betrachten kann.“ Mit mScarlet3 haben wir endlich ein sehr robustes hellrot fluoreszierendes Protein, das sich ohne weitere Nachteile schnell und vollständig faltet. Wir erwarten viel von neuen Anwendungen mit mScarlet3, einschließlich der Herstellung neuer rot fluoreszierender Biosensoren, bei denen mScarlet3 zur Abbildung spezifischer Zellfunktionen verwendet werden kann.“
Mehr Informationen:
Theodorus Gadella, mScarlet3: ein brillantes und schnell reifendes rot fluoreszierendes Protein, Naturmethoden (2023). DOI: 10.1038/s41592-023-01809-y