Neue Forschungsergebnisse mit Auswirkungen auf die Arzneimittelentwicklung ermöglichen die Visualisierung kleinster Proteincluster

Penn Engineers haben eine neue Methode zur Visualisierung kleinster Proteincluster entwickelt, die physikalischen Einschränkungen lichtbetriebener Mikroskope umgangen und neue Wege für die Erkennung von Proteinen eröffnet, die an Krankheiten wie Alzheimer beteiligt sind, sowie für die Erprobung neuer Behandlungen.

In einem Papier erscheinen In ZellsystemeLukasz Bugaj, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen, beschreibt die Entstehung von CluMPS (Cluster Magnified by Phase Separation), einem molekularen Werkzeug, das durch die Bildung auffälliger Klumpen in Gegenwart von nur wenige Nanometer kleinen Zielproteinclustern aktiviert wird. Im Wesentlichen funktioniert CluMPS wie ein Ein-/Ausschalter, der auf das Vorhandensein von Clustern des Proteins reagiert, für dessen Erkennung es programmiert ist.

Normalerweise, sagt Bugaj, erfordert die Erkennung solcher Cluster aufwändige Techniken. „Mit CluMPS benötigen Sie nichts weiter als das Standard-Labormikroskop.“ Das Werkzeug verschmilzt mit dem Zielprotein und bildet Kondensate, die um Größenordnungen größer sind als die Proteincluster selbst und den bunten Klecksen in einer Lavalampe ähneln. „Wir glauben, dass die Einfachheit des Ansatzes einer seiner Hauptvorteile ist“, sagt Bugaj. „Um schnell zu erkennen, ob sich in Ihren Zellen kleine Ansammlungen befinden, sind keine speziellen Fähigkeiten oder Geräte erforderlich.“

Für die Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer, ALS und sogar Krebs verspricht der Nachweis von so kleinen Proteinclustern einen grundlegenden Fortschritt, der es Forschern ermöglicht, festzustellen, ob Medikamente tatsächlich krankheitsverursachende Cluster eines Zielproteins in einer Zelle eliminieren oder nicht.

„Man braucht ein ganz klares Signal“, sagt Bugaj, um zu wissen, ob eine Behandlung gewirkt hat oder nicht. „Es ist sehr offensichtlich, wenn man einen riesigen Cluster hat, aber wenn man kleine Cluster hat, ist es viel schwieriger. Jetzt können wir dieses Signal verstärken und sehen, welche Medikamente die Cluster tatsächlich auflösen.“

CluMPS bietet nicht nur neue Möglichkeiten für die Wirkstoffforschung, sondern ermöglicht es Forschern auch, die Funktionsweise von Proteinen auf neue Weise zu verstehen, was zu einer tieferen und komplexeren Darstellung der Zellen selbst führt. „Es gibt eine ganze Reihe von Proteinclustern, die im kleinen Maßstab stattfinden, das ist wichtig, aber wir wissen einfach noch nichts darüber“, sagt Bugaj.

Eine der Herausforderungen, die CluMPS überwindet, besteht darin, dass Lichtwellen selbst größer sind als die kleinsten Proteincluster, was es sehr schwierig macht, solche Cluster ohne spezielle Techniken zu erkennen. „Die Wellenlänge von blauem Licht beträgt etwa 400 Nanometer“, sagt Bugaj. „Mit einem herkömmlichen Mikroskop kann man die Position von Dingen, die kleiner als die Hälfte dieser Wellenlänge sind, eigentlich nicht auflösen“, wodurch Proteincluster mit einer Breite von mehreren zehn Nanometern nahezu unsichtbar werden.

Um CluMPS zu entwickeln, arbeiteten Bugaj und sein Labor mit Elizabeth Rhoades, Professorin für Chemie an der Penn Arts & Sciences, zusammen, deren Labor dabei half zu bestätigen, dass CluMPS tatsächlich Zielproteincluster erkannte, anstatt falsch positive Ergebnisse zu generieren. „Es war eine wirklich lohnende Zusammenarbeit für uns“, sagt Rhoades, „weil wir dadurch die in unserem Labor üblicherweise verwendeten Methoden anwenden konnten, um dieses leistungsstarke neue Werkzeug in lebenden Zellen zu validieren. Es war spannend zu sehen, wie gut wir zwischen ihnen unterscheiden konnten.“ Cluster und die einzelnen Proteine.“

Thomas R. Mumford, Doktorand im Bugaj Lab und Hauptautor des Artikels, spielte eine Schlüsselrolle beim Brainstorming und der Durchführung der notwendigen Experimente.

„Es war von entscheidender Bedeutung zu charakterisieren, wie zugrunde liegende Merkmale von Proteinclustern mit CluMPS interagieren, um eine Kondensation auszulösen“, sagt Mumford, um zukünftigen Nutzern der Technologie ein genaues Verständnis ihrer Funktionsweise zu ermöglichen.

„Es lag an uns, nachzuweisen, dass wir tatsächlich kleine Cluster entdeckten“, fügt Bugaj hinzu. „Einer der lohnendsten Aspekte war die Zusammenarbeit mit Tom und dem Rhoades-Labor, um neue Arten von Experimenten zu entwickeln, die den Standpunkt überzeugend verdeutlichen würden.“