Ein Upgrade für Magnetresonanzverfahren mit 1.000-fachem Verstärker

Mithilfe der NMR-Spektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance) bestimmen Forscher die Struktur und Dynamik von Proteinen. Bisher waren jedoch für In-vitro-Messungen der Biomoleküle in Lösung wesentlich höhere Konzentrationen notwendig als in unseren Körperzellen. Eine um einen sehr leistungsfähigen Verstärker erweiterte NMR-Methode in Kombination mit Molekulardynamiksimulation ermöglicht nun deren Nachweis und genaue Charakterisierung bei physiologischen Konzentrationen. Das berichten Dennis Kurzbach, Chemiker an der Universität Wien, und seine Kollegen im Fachblatt Wissenschaftliche Fortschritte. Das Team demonstrierte seine neue Methode am Beispiel eines Proteins, das die Zellproliferation und damit auch das potenzielle Tumorwachstum beeinflusst.

Derzeit ist die NMR-Spektroskopie die einzige Methode, die eine vollständige Beschreibung der atomaren Struktur von Biomakromolekülen in ihrem nativen Lösungszustand ermöglicht. Aufgrund der inhärent geringen Empfindlichkeit der Methode müssen die Proben jedoch viel mehr Moleküle pro Volumen enthalten als physiologisch üblich. Um diese Diskrepanz zu überwinden, kann durch Hyperpolarisation (genauer durch Dissolution Dynamic Nuclear Polarization) eine 1000-fache Signalverstärkung bei NMR-Messungen erreicht werden.

E-Gitarre vs. NMR – gleiches Prinzip

„Die Spektroskopie hat einige Ähnlichkeiten mit einer E-Gitarre: Wenn der Verstärker zu schwach ist, hört man sehr wenig, wenn man die Saiten nicht stark anschlägt“, sagt Dennis Kurzbach vom Institut für Biologische Chemie, „das heißt, man braucht viel Material, um ein NMR-Signal zu sehen. Mit dem neuen Hyperpolarisationsverstärker können Sie jetzt sogar bei geringer Konzentration etwas sehen.“

Den Forschern gelang es, Biomoleküle in Konzentrationen von nur 1 Mikromol/Liter (dh einem Millionstel der üblichen Konzentrationen) zu messen. Die Konzentration nähert sich damit der unserer Zellen an. Dies ist wichtig, da Proteine ​​auf unnatürlich hohe Konzentrationen reagieren können. Sie tun nicht mehr das, was sie tun sollen, und verhalten sich plötzlich anders.

Außerdem liefert eine Auflösungsmessung mit dynamischer Kernpolarisation typischerweise eindimensionale Spektren, was die erhaltenen Informationen einschränkt. Um Proteine ​​unter natürlichen Konzentrationsbedingungen umfassend zu beschreiben, setzten die Forscher Molekulardynamik-Simulationen ein: „Den per NMR erhaltenen Fingerabdruck unseres Moleküls konnten wir auch auf seinen ‚ganzen Körper‘, also seine mehrdimensionale Struktur, extrapolieren“, sagt Kurzbach.

Signifikantes Protein MAX beschrieben

Der Wert dieses methodischen Fortschritts wird anhand des allgegenwärtigen Transkriptionsfaktors MAX demonstriert. Dieses Protein kann mit verschiedenen anderen Proteinen selbstassoziieren (dh Proteindimerisierung). Beispielsweise haben MYC-MAX-Dimere einen großen Einfluss auf die DNA-Kopiervorgänge in der Zelle.

Mit den neuen Methoden hat sich gezeigt, dass MAX eine undokumentierte Konformation annimmt, wenn sich die Konzentrationen physiologischen Werten nähern. „Das Faltungsspektrum von MAX ist von entscheidender Bedeutung für die Zusammenarbeit mit MYC und damit für die Vermehrung gesunder wie kranker Zellen im Körper“, sagt ERC-Stipendiat Dennis Kurzbach, der auch stellvertretender Leiter der Core Facility NMR am ist Fakultät für Chemie.

Die neue Methode kann helfen, den Prozess der Zellproliferation bis hin zum Tumorwachstum besser zu verstehen und damit grundlegende Mechanismen der Krebsentstehung aufzuklären. Dies ist nur eines von vielen potenziellen Anwendungsfeldern der neuen Methode – schließlich erfüllen Tausende von Proteinen in unseren Zellen verschiedenste Aufgaben, darunter die Verdauung und Regulation von DNA und RNA.