De nieuwe methode helpt bij het analyseren van eiwitten tijdens dynamische processen op biologische membranen

Een groot deel van biologisch relevante processen vindt plaats in membranen. Het bestuderen van de dynamiek van deze processen in realtime en zonder het biologische systeem te verstoren, blijft een grote methodologische uitdaging. Een team onder leiding van Petra Schuelle, directeur van het Max Planck Instituut voor Biochemie, en Nicholas Hundt van de Ludwig Maximilian Universiteit van München heeft hiervoor een nieuwe methode ontwikkeld: massagevoelige deeltjesvolging (MSPT). Met MSPT kunnen de bewegingen en interacties van individuele ongelabelde eiwitten op biologische membranen alleen worden bepaald door hun massa.

Cellulaire processen op membranen zijn vaak snel en van korte duur. De moleculen assembleren kort, scheiden dan weer, interageren met verschillende partners en bewegen langs of over het membraan. Het is daarom belangrijk om niet alleen de statische snapshots van deze processen te bestuderen, maar ook om hun dynamiek te begrijpen. Maar hoe kan dit systematisch worden bereikt? Petra Schwille van het Max Planck Institute of Biochemistry en Nicholas Hundt van de Ludwig Maximilians University hebben met hun team de massagevoelige deeltjesvolgmethode ontwikkeld – MSPT, waarmee eiwitten kunnen worden geanalyseerd tijdens dynamische processen op membranen.

Het uitgangspunt voor biofysici zijn recente ontwikkelingen in massafotometrie, die nu al kunnen worden gebruikt om de molecuulmassa van ongelabelde moleculen in oplossing te bepalen. Nieuw in MSPT is dat de dynamiek van membraan-geassocieerde eiwitten nu kan worden getraceerd in hun biologisch plausibele omgeving. In dit proces worden individuele eiwitten herkend aan hun molecuulmassa zonder dat ze gelabeld hoeven te worden.

“We kunnen nu direct de massa van individuele eiwitten op membranen traceren, hoe ze bewegen en hoe ze op elkaar inwerken. Hierdoor kunnen we de dynamiek van biologische systemen in meer detail bestuderen”, zegt Frederic Stiert, een van de eerste auteurs van deze publicatie. “De analyse van dynamische processen is vooral belangrijk in de biologie waar veel processen op het membraan van voorbijgaande aard zijn.

Bepaling van de massa door lichtverstrooiing

Op welke principes is de nieuwe methode gebaseerd? Wanneer licht een deeltje raakt, wordt het licht verstrooid. De intensiteit van het verstrooide licht hangt af van de massa van het deeltje. Video’s waarin individuele eiwitten op de membranen verschijnen, worden direct opgenomen door de microscoop. Met behulp van de analysesoftware kunnen deze eiwitten worden opgespoord en verstrooide signalen worden geïdentificeerd, waardoor hun massa wordt bepaald. Dit is momenteel mogelijk voor eiwitten met een molecuulgewicht van ten minste 50 kDa, dat wil zeggen voor een aanzienlijk deel van alle bekende eiwitten. Een ander voordeel van de nieuwe MSPT-methode is dat eiwitten niet gelabeld hoeven te worden. Labelen kan bijvoorbeeld door fluorescerende tags aan moleculen te bevestigen. De etikettering brengt echter een risico met zich mee dat de eiwitten in hun functie kunnen worden aangetast of dat de fluorescerende labels tijdens het experiment kunnen bleken. Door het gebruik van MSPT daarentegen worden methodologische problemen die kunnen ontstaan ​​door etikettering voorkomen.

MinDE-eiwitsysteem

Om het potentieel van de biologische vraagmethode aan te tonen, gebruikten biofysici een beproefd systeem van het Schwille-laboratorium: het MinDE-eiwitsysteem van bacteriën. Escherichia coli (e. coli). MinD- en MinE-eiwitten zijn betrokken bij coli-bacteriën celverdeling.

De methode stelt ons in staat om eigenschappen van dynamische systemen te karakteriseren die voorheen niet meetbaar waren. Hierdoor konden we niet alleen de bevindingen over het Min-systeem verifiëren, maar ook nieuwe inzichten opdoen.”

Tamara Hermann, eerste auteur

Met behulp van MSPT kon het team aantonen dat de complexen van MinD-eiwitten groter zijn dan aanvankelijk werd gedacht. Bovendien bieden de experimenten de eerste inzichten dat MinE kan fungeren als een verbindingsstuk voor MinD-eiwitten en dus membraanafgifte van grotere complexen kan initiëren.

Zoals gerapporteerd in het nieuwe artikel, biedt MSPT waardevolle inzichten voor het ophelderen van dynamische processen in biologische membranen. Onderzoekers zijn echter constant bezig om de methode verder te verbeteren. In de toekomst zou de methode ook toepasbaar moeten zijn op integrale transmembraaneiwitten en detectie van kleinere eiwitten mogelijk moeten maken.