Nanosensoren ermöglichen Live-Bilder aus dem Stoffwechsel

Bei der Erforschung von Krankheiten wie Übergewicht und Diabetes könnten Nanosensoren helfen, die beispielsweise Zucker oder Aminosäuren in lebenden Zellen sichtbar machen. Dadurch wird es möglich, Stoffwechselprozesse in Echtzeit zu beobachten.

Wenn der Stoffwechsel gestört ist, können Diabetes, krankhaftes Übergewicht und andere Krankheiten entstehen. Deren Erforschung ist unter anderem deshalb kompliziert, weil im Stoffwechsel viele unterschiedliche Moleküle beteiligt sind, die sehr komplexe Netzwerke bilden. Zwar ist der Wirkmechanismus der meisten Moleküle bereits bekannt. Doch weiß man noch wenig darüber, wo und wann diese innerhalb einer Körperzelle vorkommen. Viele Forscher gehen aber davon aus, dass räumliche und zeitliche Wechselwirkungen zwischen Molekülen mitbestimmend für Krankheiten sein können.

Bei deren Erforschung könnten molekulare Nanosensoren helfen. Diese sind in der Lage, bestimmte Stoffwechselmoleküle wie Zucker oder Aminosäuren - sogenannte Metabolite - in Zellen aufzuspüren. Einen derartigen Sensor haben Forschende um Nicola Zamboni am Institut für molekulare Systembiologie der ETH Zürich nun für das Citrat entwickelt, ein wichtiger Metabolit im Kohlehydrat-Stoffwechsel. Der Sensor bindet gezielt an Citrat-Moleküle und sendet daraufhin ein Fluoreszenz-Signal aus, das im Mikroskop sichtbar wird. Dadurch lässt sich erstmals live beobachten, wie in lebenden Zellen Citrat gebildet wird.

Zellen leuchten auf

Dazu schleusten die Forscher einen gentechnisch hergestellten DNA-Bauplan in Bakterienzellen ein. Diese lesen den Bauplan ab und produzieren daraus den Sensor, der aus drei verschiedenen, miteinander verknüpften Proteinen besteht: ein Citrat-bindendes Protein CitA und zwei fluoreszierende Proteine. Solange sich kein Citrat in der Bakterienzelle befindet, bleibt der Nanosensor inaktiv. Wird jedoch Citrat gebildet, bindet dieses an den CitA-Teil und verändert dessen dreidimensionale Struktur. Dadurch können die fluoreszierenden Proteine nun miteinander in Wechselwirkung treten, was im Mikroskop als eine Farbänderung sichtbar wird (sogenanntes FRET = Fluorescence Resonance Energy Transfer). Auf diese Weise erhalten die Forscher Informationen über die räumliche und zeitliche Verteilung von Citrat. Das gleiche Prinzip ließe sich für weitere wichtige Metabolite anwenden. "Nanosensoren könnten helfen, Funktionen wichtiger Stoffwechsel-Moleküle besser zu verstehen", sagt Nicola Zamboni.

Tausende Sensor-Varianten nach dem Zufallsprinzip

Bislang gibt es jedoch erst einige wenige Nanosensoren für bestimmte Aminosäuren und Zuckerarten. Zamboni und sein Team wollen nun weitere herstellen, unter anderem für die Zwischenprodukte, die beim Abbau von Zucker entstehen. Mit bisherigen Methoden würde das allerdings sehr lange dauern, da meist mehrere verschiedene Baupläne entworfen und getestet werden müssen, bis ein funktionstüchtiger Sensor gefunden ist. Auch beim Citrat waren etliche Anläufe nötig. Um die weitere Entwicklung zu beschleunigen, setzt das Team von Zamboni nun eine neue Hochdurchsatz-Methode ein. Nach dem Zufallsprinzip erzeugen die Forscher im Reagenzglas zunächst Tausende verschiedener Sensor-Varianten. Nur die vielversprechendsten Kandidaten werden anschließend in Bakterien getestet. Nicola Zamboni hofft, damit die benötigte Entwicklungszeit von etwa zwei Jahren auf wenige Wochen zu verkürzen.

Was in den Bakterienzellen bereits funktioniert, soll in einem nächsten Schritt auch an menschlichen Zellen getestet werden, allerdings nur im Labor. Laut Zamboni sind Nanosensoren für eine direkte medizinische Anwendung nicht geeignet. Dennoch ist er davon überzeugt, dass sie neue Erkenntnisse liefern können, um Therapien für Stoffwechsel- und andere Krankheiten zu verbessern. Mehrere in seiner Gruppe entwickelte Sensoren sind bereits in verschiedenen Forschungsprojekten im Einsatz, zum Beispiel ein Sensor für den Energieträger ATP. Mit dessen Hilfe wird untersucht, wie es bestimmten Mykobakterien (Artverwandten des Tuberkulose-Erregers) gelingt, ihren Stoffwechsel selbst im Inneren von Immunzellen aufrecht zu erhalten.

Quelle: ETH Zürich