AG Grashoff - Quantitative Zellbiologie

 
© WWU - Prof. Dr. C. Grashoff

Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Fähigkeit, mechanische Kräfte erkennen und auf diese mit einer spezifischen biologischen Antwort reagieren zu können, ist für alle uns bekannten Organismen essentiell. Natürlich sind auch menschliche Zellen sind in der Lage, kleinste mechanische Veränderungen wahrzunehmen, was für die Entwicklung und Funktionsfähigkeit viele unserer Organe eine entscheidende Rolle spielt. Darüber hinaus beruht eine Vielzahl von Erkrankungen auf der Tatsache, dass Zellen mechanische Informationen nicht adäquat verarbeiten können. Wie mechanische Signale in Zellen verarbeitet werden, ist jedoch weitestgehend unverstanden. Ein Grund für diese Wissenslücke ist, dass die mechanischen Kräfte in Zellen extrem klein sind - in der Größenordnung von nur wenigen Billionstel (!) Newton - und nur schwer detektiert werden können. Wann und wo mechanische Kräfte in Zellen wirken, ist also relativ schwer zu messen und war über viele Jahrzehnte unbekannt. Unsere Arbeitsgruppe hat daher in den vergangenen Jahren eine Mikroskopie-Technik entwickelt, mit der mechanische Signale von nur wenigen Piconewton (pN) in lebenden Zellen sichtbar gemacht und quantifiziert werden können.

Wissenschaftlicher Ansatz

In der von uns entwickelten Technik machen wir uns einen photo-physikalischen Effekt zunutze, der als Förster Resonanzenergietransfer (FRET) bekannt ist und zum Beispiel dann auftritt, wenn ein fluoreszierender Donor sich in geringem Abstand zu einem Akzeptormolekül befindet. Wird unter diesen Umständen das Donormolekül mit geeigneter Wellenlänge angeregt, wird ein Teil der Energie auf den Akzeptor übertrage und es kommt zu FRET. In unseren Sensoren sind Donor und Akzeptor durch hoch sensitive Peptide verbunden, die sich unter Kraft ausdehnen und den Donor-Akzeptorabstand vergrößern, was zu einer Abnahme des FRET-Signales führt. Da die Sensoren mit Hilfe von Einzelmolekülkraftspektroskopie kalibriert wurden, können über mikroskopische FRET-Messung mechanische Kräfte quantifiziert werden. Wir haben mittlerweile eine ganze Reihe von Kraftsensoren etabliert, mit denen mechanische Kräfte von 1-6 pN, 3-5 pN, 6-8 pN und 9-11 pN bestimmt werden können. Weil alle unsere Sensoren genetisch verschlüsselt sind, können wir durch gezieltes Einbringen dieser Sensoren in intrazelluläre Proteine mechanobiologische Prozesse mit bisher unerreichter Sensitivität untersuchen.