Minutiöse Einblicke in das zelluläre Geschehen

Neuentwicklung unter Beteiligung der Goethe-Universität macht winzige Strukturänderungen von Biomolekülen sichtbar.

Mit Hilfe einer Neuentwicklung, an der auch die Goethe-Universität beteiligt war, sind künftig noch detailliertere Einblicke in die Zelle möglich: Der Arbeitsgruppe um Prof. Harald Schwalbe ist es gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Israel gelungen, die Kernspinresonanz (NMR)-Methode zur Untersuchung von RNA hunderttausendfach zu beschleunigen.

Das Molekül Hypoxanthin bindet an eine Ribonukleinsäure(RNA)-Kette, die daraufhin innerhalb einer Sekunde ihre dreidimensionale Gestalt verändert und neue Prozesse in der Zelle in Gang setzt. Dank der verbesserten Methode von Wissenschaftlern der Arbeitsgruppe um Harald Schwalbe vom Zentrum für Biomolekulare Magnetische Resonanz der Goethe-Universität in Kooperation mit israelischen Wissenschaftlern, können diese Strukturveränderungen in Zellen nun zeitlich und räumlich verfolgt werden.

„Dies erlaubt uns erstmalig, die Dynamik von RNA-Strukturänderungen so schnell zu verfolgen, wie sie auch in der Zelle ablaufen“, beschreibt Schwalbe diesen wissenschaftlichen Durchbruch und betont: „Das Team um Lucio Frydmann vom Weizmann-Institut in Israel hat dazu wesentlich beigetragen.“

Die neuartige NMR-Untersuchungen nutzen Wassermoleküle, deren Atome sich in einem Magnetfeld verfolgen lassen. Schwalbe und sein Team erzeugen hyperpolarisiertes Wasser. Dazu setzen sie dem Wasser eine Verbindung zu, die permanent ungepaarte Elektronen-Radikale besitzt. Durch Anregung mit einer Mikrowelle bei -271°C kann man die Elektronen im Magnetfeld ausrichten.

Diese unnatürliche Ausrichtung erzeugt eine Polarisation, die auf Polarisation der im NMR eingesetzten Wasserstoffatome bei +36°C übertragen wird. Das so polarisierte Wassermolekül erwärmen sie in wenigen Millisekunden und geben es zusammen mit Hypoxanthin auf die RNA-Kette. Damit können sie auch schnelle chemische Reaktionen und Faltungsänderungen von Biomolekülen auf Atom-Ebene beobachten.

Die Imino-Gruppen in RNA lassen sich mit dieser Methode besonders gut analysieren. Die Wissenschaftler konnten so RNA-Strukturänderungen präzise messen. Sie verfolgten ein kurzes RNA-Stück (Aptamer) aus Bacillus subtilis, das seine Struktur bei der Bindung von Hypoxanthin so ändert, dass die folgenden Boten-RNA (mRNA) nicht mehr abgelesen wird. Derart kleine Änderungen auf Molekülebene steuern viele Prozesse nicht nur in Bakterien, sondern auch in mehrzelligen Lebewesen bis hin zum Menschen.

Die verbesserte Methodik erlaubt es künftig, RNA-Faltungen in Echtzeit zu verfolgen, sogar, wenn sie weniger als eine Sekunde benötigen. Dies ist unter physiologischen Bedingungen möglich, also in flüssiger Umgebung und in natürlicher Molekül-Konzentration bei Temperaturen um 36 Grad Celsius. „Der nächste Schritt wird es jetzt sein, nicht nur einzelne, sondern hunderte RNAs zu untersuchen, um die biologisch wichtigen Unterschiede in ihren Faltungsraten bestimmen zu können“, so Boris Fürtig aus der Arbeitsgruppe Schwalbe.