Entschlüsselung von Triebkräften für die Selbstassemblierung in zellulärer Umgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Simon Ebbinghaus; Professor Dr. Klaus Huber
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457267422

Die Selbstassemblierung von Proteinen wie die für jegliches Leben essenzielle Bildung des Zytoskeletts oder das lebensbedrohliche Wachstum von beta-Amyloid stellt eine wichtige Klasse von Prozessen in lebenden Systemen dar. Diese Prozesse laufen in hochkonzentrierter Umgebung wie dem Zytoplasma lebender Zellen ab. Experimente im Reagenzglas mit nur den direkt am Prozess beteiligten Komponenten, obgleich bei den entsprechenden Konzentrationen ausgeführt, reichen daher nicht aus um ein vollumfängliches Verständnis zu gewinnen.Diese als “Crowding” bezeichneten Bedingungen werden durch die hohe Konzentration an Cosoluten verursacht, die in Zellen in der Regel 30 % - 40 % des Gesamtgewichts ausmachen und Salze, Stoffwechselprodukte und eben auch Proteinen einschließen. Geringste Veränderungen in der Zusammensetzung oder Gesamtmenge haben daher bereits einen beträchtlichen Einfluss auf die Selbstassemblierung eines betrachteten Proteins. So sinkt in alternden Zellen der Wassergehalt, was über eine Zunahme des Crowding-Effektes die erhöhte Neigung zur Ausbildung pathogener Proteinaggregate erklären könnte. Angeregt durch diese möglichen Zusammenhänge schlägt der vorliegende Forschungsantrag die Entwicklung eines Sensors vor, der auf Veränderungen im Zytoplasma in ähnlicher Weise reagiert wie es selbstassemblierende Proteine tun. Vorarbeiten der Antragsteller ergaben Cyaninfarbstoffen als vielversprechende Kandidaten für einen solchen Sensor, da sie, wie viele zelluläre Proteine, ebenfalls faserförmige Selbstassemblate ausbilden und im aggregierten Zustand eine als J-Bande bezeichnete scharfe Absorptionsbande und eine Fluoreszenzbande aufweisen. Die sich daraus ergebende Nachweisbarkeit der Aggregate, auch in Zellen, gepaart mit ihrer Permeabilität durch Zellmembranen und ihre geringe Zelltoxizität prädestinieren diese Verbindungen geradezu für die Untersuchung von Crowding-Effekten in der Zelle und im Reagenzglas. Ein entsprechend optimierter Sensor wird dann eingesetzt um zu erforschen wie Selbstassemblierungsprozesse auf sub-zellulärer, zellulärer und multi-zellulärer Ebene unter verschiedenen zellulären Bedingungen von Crowding-Effekten beeinflusst werden. In zwei parallel durchgeführten Arbeitspaketen wird der Einfluss von Umgebungsbedingungen auf die Selbstassemblierung des Sensors sowie einigen repräsentativen Proteine in der Zelle untersucht. Vergleichende Experimente im Reagenzglas mit entsprechend definierten Modellumgebungen sollen dabei zu einer Entschlüsselung der wesentlichen Einflussfaktoren in lebenden Systemen führen. Im dritten Arbeitsparket wird dann die Rolle der Alterung, und der damit einhergehenden Erhöhung des Crowding-Effektes, als möglicher Auslöser für die Proteinaggregation im Modelorganismus C. elegans untersucht. Zusammenfassend eröffnen die Forschungsarbeiten ein großes Anwendungspotential für die Untersuchung verschiedenartiger Selbstassemblierungsprozesse unter physiologischen und pathogenen zellulären Bedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen