Cellulaire processen op membranen zijn vaak snel en van korte duur. Moleculen assembleren kort, weer scheiden, interageren met verschillende partners en bewegen langs of door het membraan. Het is daarom belangrijk om niet alleen statische snapshots van deze processen te bestuderen, maar ook om hun dynamiek te begrijpen. Maar hoe kan dit methodisch worden bereikt? Petra Schwille van het Max Planck Institute of Biochemistry en Nikolas Hundt van de Ludwig Maximilians University hebben samen met hun team de methode Mass-Sensitive Particle Tracking-MSPT ontwikkeld, waarmee eiwitten kunnen worden geanalyseerd tijdens dynamische processen op membranen.

Het startpunt voor de biofysici waren recente vorderingen in massafotometrie, die al zou kunnen worden gebruikt om de molecuulmassa van niet-gelabelde moleculen in oplossing te bepalen. Nieuw aan MSPT is dat de dynamiek van membraan-geassocieerde eiwitten nu kan worden gevolgd in hun biologisch plausibele omgeving. In dit proces, individuele eiwitten worden geïdentificeerd aan de hand van hun molecuulmassa zonder dat ze hoeven te worden gelabeld. Frederik Steiert, een van de eerste auteurs van de publicatie, zegt:"We kunnen nu direct op biologische membranen volgen welke massa individuele eiwitten hebben, hoe ze bewegen en hoe ze met elkaar omgaan. Dit stelt ons in staat om de dynamiek van biologische systemen in meer detail te bestuderen." Het analyseren van dynamische processen is vooral belangrijk in de biologie, omdat veel processen op het membraan van voorbijgaande aard zijn.

Massabepaling door lichtverstrooiing

Op welke principes is de nieuwe methode gebaseerd? Als licht een deeltje raakt, het licht wordt verstrooid. De intensiteit van het verstrooide licht hangt af van de massa van het deeltje. Met een microscoop worden video's opgenomen waarin individuele eiwitten op membranen direct zichtbaar worden gemaakt. Met behulp van analysesoftware deze eiwitten kunnen worden gevolgd en hun verstrooiingssignaal, en dus hun massa, kan worden bepaald. Dit is momenteel mogelijk voor eiwitten met een molecuulgewicht van minimaal 50 kDa, d.w.z. voor een groot deel van alle bekende eiwitten. Een ander voordeel van de nieuwe MSPT-methode is dat eiwitten niet gelabeld hoeven te worden. Etikettering kan worden bereikt, bijvoorbeeld, door fluorescerende tags aan moleculen te bevestigen. Echter, labeling brengt het risico met zich mee dat eiwitten in hun functie kunnen worden aangetast of dat de fluorescerende labels tijdens het experiment kunnen bleken. Door MSPT te gebruiken, in tegenstelling tot, methodologische problemen die kunnen ontstaan ​​door etikettering worden voorkomen.

MinDE eiwitsysteem

Om het potentieel van de methode voor biologische vragen aan te tonen, de biofysici gebruikten een beproefd systeem uit het laboratorium van Schwille:het MinDE-eiwitsysteem van de bacterie Escherichia coli (E. coli). MinD- en MinE-eiwitten zijn betrokken bij de celdeling van E. coli. Tamara Heerman, een andere eerste auteur, zegt:"De methode stelt ons in staat eigenschappen van dynamische systemen te karakteriseren die voorheen niet meetbaar waren. Dit stelde ons niet alleen in staat om gevestigde bevindingen over het Min-systeem te verifiëren, maar ook om nieuwe inzichten op te doen." Door gebruik te maken van MSPT, het team kon aantonen dat de complexen van MinD-eiwitten groter zijn dan aanvankelijk werd gedacht. In aanvulling, de experimenten geven de eerste inzichten dat MinE kan fungeren als een verbindingsstuk voor MinD-eiwitten en dat het zo de membraanafgifte van grotere complexen kan initiëren.

Zoals gemeld in de nieuwe krant in Natuurmethoden , MSPT biedt waardevolle inzichten voor het ophelderen van dynamische processen bij biologische membranen. Echter, de onderzoekers werken continu aan het nog verder verbeteren van de methode. In de toekomst, de methode zou ook toepasbaar moeten zijn voor integrale membraaneiwitten en zou de detectie van nog kleinere eiwitten mogelijk moeten maken.