Neue Tagging-Methode verbessert Kryo-Elektronen-Tomographie

Kryo-Elektronentomographie (CryoET) ist ein spezielles Imaging-Tool, das Wissenschaftlern hilft, die kleinen Teile von Zellen in ihrem natürlichen Zustand zu sehen. Es funktioniert auf ganz kleinem Massstab und erlaubt es Forschern, Details zu betrachten, die kleiner sind als das, was die meisten Mikroskope zeigen können. Diese Methode ist wichtig, um zu studieren, wie Zellen aufgebaut sind und wie verschiedene Teile in lebenden Organismen miteinander interagieren.

Kürzlich haben Wissenschaftler Verbesserungen dieser Methode erzielt, die ihnen ermöglichen, noch klarere Bilder von Zellstrukturen zu sehen. Mit diesen Fortschritten können sie Merkmale von Zellen betrachten, die zuvor schwer zu erkennen waren, wie verschiedene Proteinkomplexe, die eine Schlüsselrolle in zellulären Funktionen spielen. Obwohl CryoET schon weit fortgeschritten ist, gibt es immer noch Herausforderungen, wenn es darum geht, spezifische Proteine im komplexen Umfeld einer Zelle zu lokalisieren.

#Herausforderungen bei der Identifizierung von Proteinen

Aktuelle Techniken zum Markieren von Proteinen funktionieren normalerweise gut mit anderen Mikroskopiemethoden, wie Fluoreszenz oder traditioneller Elektronenmikroskopie, aber sie funktionieren nicht immer bei CryoET. Licht- und Elektronenmikroskopie können Farbstoffe oder Metalle verwenden, um Proteine zu markieren, aber wenn es um CryoET geht, können diese Methoden knifflig sein. Das liegt hauptsächlich daran, dass bei CryoET das gesamte Tagging im lebenden Zustand der Zellen geschehen muss, bevor sie eingefroren werden. Zum Beispiel kann das Markieren von Proteinen mit lichtempfindlichen Farbstoffen schwierig sein, da diese Farbstoffe das Verhalten der Proteine beeinflussen können.

Eine häufige Methode heisst korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM). Diese Technik hat jedoch manchmal Schwierigkeiten, Proteine innerhalb der komplexen Bilder zu bestimmen, die durch CryoET erzeugt werden, was es schwierig macht, Proteine mit bestimmten beobachteten Strukturen zu verbinden.

Eine andere Methode, die als Immunogold-Markierung bekannt ist, verwendet winzige Goldpartikel, um Proteine in der traditionellen Elektronenmikroskopie zu markieren. Bei CryoET hat diese Methode ebenfalls erhebliche Probleme, da sie mit intakten Zellen arbeiten muss, die nicht chemisch fixiert oder behandelt wurden.

#Der Bedarf an neuen Markierungstechniken

Der Bedarf an neuen und besseren Tagging-Methoden ist offensichtlich. Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, Proteine in ihrer natürlichen Umgebung zu identifizieren, ohne die Zellen zu stören. Eine vielversprechende Methode ist die Verwendung von Goldnanopartikeln, die wirklich klein sind. Jüngste Studien haben gezeigt, dass winzige Goldpartikel verwendet werden können, um Proteine zu markieren, sodass Wissenschaftler sie durch Imaging-Techniken betrachten können. Allerdings können diese Goldpartikel im Hintergrund anderer Zellstrukturen in Bildern, die mit CryoET aufgenommen wurden, schwer zu erkennen sein.

Ein anderer Ansatz besteht darin, Ferritin zu verwenden, einen grösseren Proteinkomplex, der Eisen speichern kann. Ferritin kann markiert und dann in Zellen eingeführt werden. Wenn es als Tag verwendet wird, erzeugt Ferritin dunkle Punkte im Imaging, was es Forschern erleichtert zu sehen, wo sich Proteine befinden. Diese Methode hat in der traditionellen Elektronenmikroskopie vielversprechende Ergebnisse gezeigt, aber sie musste für ihre Anwendung in CryoET verbessert werden.

#Wie Ferritin beim Tagging funktioniert

Ferritin ist ein grosses Protein, das Eisen in sich halten kann. Dieses Eisen lässt Ferritin in Bildern, die mit Elektronenmikroskopie aufgenommen wurden, dunkel erscheinen, wodurch Wissenschaftler sehen können, wo es sich befindet. Die Struktur von Ferritin ist stabil und kann modifiziert werden, sodass Wissenschaftler verschiedene Proteine oder Tags daran anhängen können. Diese Eigenschaft macht Ferritin sehr nützlich für das Markieren von Proteinen in Zellen.

Eine Strategie, die Forscher entwickelt haben, kombiniert Ferritin mit einem Tagging-System. Indem sie Ferritin mit einem kleinen Tag verbinden, der die Funktion des Proteins nicht beeinträchtigt, können Wissenschaftler die Standorte von Proteinen in der Zelle genau bestimmen. Diese Kombination von Proteinen kann in CryoET-Studien sehr wertvoll sein, da sie eine klarere Sicht auf die Proteine ermöglicht, ohne ihr natürliches Verhalten zu stören.

#Entwicklung des FerriTag-Systems

Um das Potenzial von Ferritin optimal zu nutzen, haben Forscher ein fortschrittliches Tagging-System namens FerriTag entwickelt. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kennzeichnung von Proteinen, während sie in ihrem natürlichen Zellzustand bleiben. Durch die Verwendung kleiner Tags, die mit Ferritin verbunden werden können, können Wissenschaftler dieses System nutzen, um spezifische Proteine überall in der Zelle sichtbar zu machen.

Das FerriTag-System verwendet einen Prozess, der zwei kleine Proteine umfasst: FKBP und FRB. Das FKBP-Protein ist mit dem Zielprotein verknüpft, während FRB an Ferritin gebunden ist. Sobald die Zellen mit Rapamycin behandelt werden, kommen die FKBP- und FRB-Proteine zusammen, was Ferritin zu dem Zielprotein zieht. Das hilft Forschern, das Protein zu finden, das sie studieren wollen.

#Ergebnisse aus der Verwendung von FerriTag

Tests mit dem FerriTag-System haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Forscher haben erfolgreich verschiedene Proteine markiert, darunter solche, die in Mitochondrien und Plasmamembranen vorkommen. Bei Behandlung mit Rapamycin ermöglichen die Tags eine sichtbare Koinkubation der Zielproteine, wodurch klarer wird, wo sie sich in den Zellen befinden.

Zum Beispiel führten Forscher Experimente mit Proteinen durch, von denen bekannt ist, dass sie in Mitochondrien existieren. Mit herkömmlicher Elektronenmikroskopie konnten sie dunkle elektronendichte Partikel – Ferritin – sehen, die sich an der Oberfläche der Mitochondrien ansammelten. Diese erfolgreiche Kennzeichnung bestätigte, dass das FerriTag-System genau identifiziert und bestimmt, wo spezifische Proteine lokalisiert sind.

#Fortschritte in CryoET mit FerriTag

Durch die Implementierung des FerriTag-Systems haben Wissenschaftler bedeutende Fortschritte im Bereich CryoET erzielt. Das System bietet eine Möglichkeit, Proteine mit grosser Präzision zu kennzeichnen, während die Zellen vor dem Einfrieren intakt bleiben. Anstatt sich auf traditionelle Markierungsmethoden zu verlassen, die Artefakte oder Schäden verursachen können, bewahrt das FerriTag-System die natürlichen Strukturen der Zellen.

In verschiedenen Studien haben die Forscher bestätigt, dass Ferritin, wenn es mit Eisen geladen ist, einen deutlichen Kontrast und Klarheit in Elektronenbildern bietet. Diese Methode hat eine effizientere Kennzeichnung über verschiedene Proteintypen hinweg ermöglicht, sodass Wissenschaftler die Rollen verschiedener Proteine in zellulären Prozessen besser verstehen können.

#Pläne für zukünftige Anwendungen

Für die Zukunft gibt es grosses Potenzial für das FerriTag-System, unser Verständnis der Zellbiologie zu verbessern. Während CryoET weiterhin Fortschritte macht, wird die Fähigkeit, spezifische Proteine zu identifizieren, noch wichtiger werden. Der FerriTag-Ansatz wird Forschern helfen, detaillierte Karten von Zellstrukturen zu erstellen und die Standorte von Proteinen mit ihren Funktionen zu verknüpfen.

Durch die Optimierung des Prozesses zur Kennzeichnung von Proteinen und die Ermöglichung einer präzisen Lokalisierung können Wissenschaftler die molekularen Grundlagen verschiedener biologischer Prozesse untersuchen. Dies könnte zu neuen Entdeckungen in Bezug auf Gesundheit und Krankheit führen und zukünftige Behandlungen informieren.

#Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das FerriTag-System einen bedeutenden Fortschritt im Bereich CryoET und der Proteinmarkierung darstellt. Durch das Überwinden verschiedener Einschränkungen traditioneller Methoden eröffnet es neue Möglichkeiten, die Zellbiologie in ihrem natürlichen Kontext zu studieren. Die Fähigkeit, spezifische Proteine an ihren Zellstandorten zu sehen und zu identifizieren, ermöglicht es Forschern, besser zu verstehen, wie Zellen funktionieren und interagieren, und ebnet den Weg für aufregende neue Entdeckungen in der Welt der Wissenschaft.