Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) hat einen bedeutenden Fortschritt in der Untersuchung von Proteinen erzielt. Unter der Leitung von Prof. Vahid Sandoghdar entwickelte die Abteilung Nanooptik eine Methode, die es ermöglicht, das mechanosensitive Protein PIEZO1 in seiner nativen Zellmembranumgebung mit Ångström-Genauigkeit abzubilden. Diese neue Technik der kryo-optischen Mikroskopie, veröffentlicht in einer aktuellen Studie, verspricht, das Verständnis der Struktur und Funktionsweise von Membranproteinen zu revolutionieren.

Proteine wie PIEZO1, die in der Zellmembran sitzen und als Sensoren für Berührung und Druck dienen, sind für zentrale biologische Prozesse unerlässlich. Traditionelle Methoden wie Röntgenbeugung oder Kryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) stoßen jedoch an Grenzen: Erstere erfordert kristallisierte Proben, letztere bietet oft nur geringen Kontrast in komplexen zellulären Umgebungen. Die neue Methode des MPL-Teams nutzt optische Mikroskopie unter kryogenen Bedingungen (8 K), um PIEZO1 in nahezu nativem Zustand abzubilden. Durch fluoreszierende Marker konnte das Team die kuppelartige Struktur des Proteins mit seinen drei „Flügeln“ visualisieren und unterschiedliche Konfigurationen sichtbar machen, die zeigen, wie sich PIEZO1 unter mechanischer Belastung verformt.

Der Schlüssel zum Erfolg war ein spezieller Prozess des schnellen Einfrierens in flüssigem Kryogen, der die Proteinstruktur intakt hält, indem er die Kristallisation von Wassermolekülen verhindert. Eine eigens entwickelte Apparatur, bestehend aus einem kryogenen optischen Mikroskop und einem Vakuum-Shuttle, gewährleistet, dass die Probe während des Experiments kalt bleibt und keinen Luftkontakt hat. Diese Technik verlängert die Lebensdauer der Fluoreszenzmarker erheblich, wodurch mehr Photonen gesammelt und die Position der Marker mit einer Präzision von wenigen Ångström – etwa der Größe einzelner Atome – bestimmt werden kann.

Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten in der Strukturbiologie, insbesondere für die Untersuchung von Membranproteinen in ihrer nativen Umgebung. Das Team plant, die Technik mit hochauflösender Kryo-EM zu kombinieren, um noch präzisere Einblicke in die molekularen Mechanismen des Lebens zu gewinnen. Dieser Ansatz könnte die Grundlagenforschung nachhaltig verändern und das quantitative Verständnis biologischer Prozesse vorantreiben.

Original Paper:

Cryo–light microscopy with angstrom precision deciphers structural conformations of PIEZO1 in its native state | Science Advances

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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