Dank neuer Methode lassen sich Biomoleküle in lebenden Zellen nun mit Infrarotlicht sichtbar machen

Um biotechnologische Innovationen, etwa die Entwicklung lebensrettender Arzneimitteltherapien, zu beschleunigen, streben Wissenschaftler danach, schnellere, quantitativere und allgemein verfügbare Methoden zur Beobachtung von Biomolekülen in lebenden Zellen zu entwickeln.

Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, mithilfe von Infrarotlicht (IR) klare Bilder von Biomolekülen im Inneren von Zellen aufzunehmen, was bisher aufgrund der Tendenz des Wassers in Zellen, Infrarotstrahlung zu absorbieren, nicht möglich war. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht In Analytische Chemie.

Die neue Methode beseitigt die störenden Auswirkungen von Wasser bei IR-basierten Messungen und ermöglicht es Forschern, die Mengen wichtiger Biomoleküle in Zellen zu bestimmen, beispielsweise der Proteine, die die Zellfunktion steuern. Die Fähigkeit, Veränderungen in lebenden Zellen zu messen, könnte Fortschritte in der Bioproduktion, der Entwicklung von Zelltherapien, der Arzneimittelentwicklung und mehr beschleunigen.

Infrarotstrahlung ist Licht, das knapp jenseits dessen liegt, was das menschliche Auge sehen kann. Obwohl wir IR-Licht nicht sehen können, können wir es als Wärme spüren. Bei der IR-Mikroskopie absorbiert ein bestimmtes Material Strahlung aus einem Wellenlängenbereich des IR-Spektrums.

Wissenschaftler messen und analysieren das IR-Absorptionsspektrum einer Probe und erzeugen so eine Reihe von „Fingerabdrücken“, mit denen sich Moleküle und andere chemische Strukturen identifizieren lassen. Wasser, das am häufigsten vorkommende Molekül sowohl innerhalb als auch außerhalb von Zellen, absorbiert Infrarot jedoch stark und überdeckt die Infrarotabsorption anderer Biomoleküle in Zellen.

Dieser optische Maskierungseffekt lässt sich am besten mit einem Flugzeug vergleichen, das neben der Sonne vorbeifliegt. Mit bloßem Auge ist das Flugzeug wegen der Sonne nur schwer zu erkennen. Wenn Sie jedoch einen speziellen Sonnenschutzfilter verwenden, können Sie das Flugzeug problemlos am Himmel erkennen.

„Wasser absorbiert Infrarot sehr stark im Spektrum und wir möchten das Absorptionsspektrum von Proteinen durch den dichten Wasserhintergrund hindurch sehen. Deshalb haben wir das optische System so konzipiert, dass der Beitrag des Wassers sichtbar wird und die Proteinsignale sichtbar werden“, sagte der NIST-Chemiker Young Jong Lee.

Lee entwickelte eine patentierte Technik, die ein optisches Element verwendet, um die Wasserabsorption durch IR zu kompensieren. Die als Solvent Absorption Compensation (SAC) bezeichnete Technik wurde mit einem handgefertigten IR-Lasermikroskop verwendet, um Zellen abzubilden, die die Bildung von Bindegewebe unterstützen, sogenannte Fibroblastenzellen.

Während eines 12-stündigen Beobachtungszeitraums konnten die Forscher Gruppen von Biomolekülen (Proteine, Lipide und Nukleinsäuren) während der Stadien des Zellzyklus, wie etwa der Zellteilung, identifizieren. Das mag zwar lange erscheinen, doch die Methode ist letztlich schneller als aktuelle Alternativen, die Strahlzeit in einer großen Synchrotronanlage erfordern.

Diese neue Methode namens SAC-IR ist markierungsfrei, d. h. sie erfordert keine Farbstoffe oder fluoreszierenden Markierungen, die Zellen schädigen und außerdem in verschiedenen Laboren zu weniger konsistenten Ergebnissen führen können.

Mithilfe der SAC-IR-Methode konnten die Forscher des NIST neben Nukleinsäuren, Lipiden und Kohlenhydraten auch die absolute Masse von Proteinen in einer Zelle messen. Die Technik könnte dazu beitragen, eine Grundlage für die Standardisierung von Methoden zur Messung von Biomolekülen in Zellen zu schaffen, was sich in der Biologie, Medizin und Biotechnologie als nützlich erweisen könnte.

„Wenn beispielsweise bei der Krebszelltherapie Zellen aus dem Immunsystem eines Patienten so verändert werden, dass sie Krebszellen besser erkennen und abtöten, bevor sie dem Patienten wieder zugeführt werden, muss man sich fragen: ‚Sind diese Zellen sicher und wirksam?‘ Unsere Methode kann hilfreich sein, indem sie zusätzliche Einblicke in biomolekulare Veränderungen in den Zellen liefert, um den Gesundheitszustand der Zellen zu beurteilen“, sagte Lee.

Zu den weiteren möglichen Anwendungen gehört die Verwendung von Zellen für das Arzneimittelscreening, entweder bei der Entdeckung neuer Medikamente oder beim Verständnis der Sicherheit und Wirksamkeit eines Arzneimittelkandidaten. Beispielsweise könnte diese Methode helfen, die Wirksamkeit neuer Medikamente zu beurteilen, indem die absoluten Konzentrationen verschiedener Biomoleküle in einer großen Anzahl einzelner Zellen gemessen werden, oder zu analysieren, wie verschiedene Zelltypen auf die Medikamente reagieren.

Die Forscher hoffen, die Technik weiterentwickeln zu können, um auch andere wichtige Biomoleküle wie DNA und RNA mit größerer Genauigkeit messen zu können. Die Technik könnte auch dazu beitragen, detaillierte Antworten auf grundlegende Fragen der Zellbiologie zu liefern, etwa welche Biomolekülsignaturen mit der Zelllebensfähigkeit korrespondieren – mit anderen Worten, ob die Zelle lebt, stirbt oder tot ist.

„Manche Zellen werden monate- oder jahrelang in gefrorenem Zustand aufbewahrt und dann für die spätere Verwendung aufgetaut. Wir wissen noch nicht genau, wie man die Zellen am besten auftaut und dabei ihre maximale Lebensfähigkeit bewahrt. Mit unseren neuen Messmöglichkeiten können wir möglicherweise bessere Prozesse zum Einfrieren und Auftauen von Zellen entwickeln, indem wir ihre Infrarotspektren untersuchen“, sagte Lee.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST erneut veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.