Zur Identifikation eines Täters braucht es ein Phantombild oder ein Fingerabdruck. Dies gilt auch für die Proteine, die unter anderem für neurodegenerative Krankheiten verantwortlich sind. Das Adolphe Merkle Institut (AMI) in Freiburg und die Universität Michigan haben ein neues System entwickelt, das ermöglicht, einen sogenannten 5-D-Fingerabdruck  dieser Proteine zu erstellen, um ihr Verhalten im Körper besser zu verstehen.

Neurodegenerative Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer können von einer Fehlformation von Proteinen ausgelöst werden, die für den menschlichen Organismus lebenswichtig und essentiell für das Funktionieren einzelner Zellen sind. Aus ihnen formt der Körper alles Mögliche, übermittelt Botschaften zwischen Zellen, transportiert Sauerstoff und vieles mehr. Doch sie formen sich nicht immer korrekt und können zu sogenannten Amyloiden im Gehirn verklumpen. Diese klebrige Masse blockiert entsprechend das normale Funktionieren von Zellen, was zu einer Degeneration von Nervenzellen führt.

Engpass zur Lösung
Proteine im Blut und in anderen Körperflüssigkeiten zu messen kann Zugang zu wertvollen Informationen verschaffen. Nur gibt es momentan keine optimale Methode, um diese Werte von Amyloidproben zu erheben. Die aktuelle Technik ist gemäss Wissenschaftlern vergleichbar mit dem Versuch, eine Person aufgrund ihres Gewichts und ihrer Grösse zu identifizieren. Nun könnten die Forschenden des AMI und der Universität Michigan dank einem neuen Ansatz das Problem lösen. Dieser berücksichtigt die Form, Grösse, elektrische Ladung, Geschwindigkeit und die Fähigkeit, sich mit anderen Molekülen zu verbinden, bei jedem einzelnen Protein. Die gesammelten Informationen ergeben einen 5-D-Fingerabdruck, von dem die Forschenden sich eine einfachere Identifizierung spezifischer Proteine erhoffen, um so zu einem vollständigeren Bild zu kommen. Die Methode basiert auf der Verwendung einer Nanopore: Einem Engpass von zehn bis 30 Nanometern auf einer Oberfläche, klein genug, als dass jeweils nur ein einziges Proteinmolekül hindurch passt. Die Nanopore wird mit einer Salzlösung gefüllt, durch die elektrischer Strom fliesst. Wenn das Molekül die Nanopore passiert, verursacht seine Bewegung Stromschwankungen. Durch die Messung dieser Schwankung können die Wissenschaftler die einzigartige Signatur des Moleküls bestimmen und dieses sofort identifizieren.

«Amyloid-Moleküle variieren nicht nur in ihrer Grösse signifikant sondern insgesamt auch in ihrer Form und Toxizität – was ihre Erforschung sehr schwierig gestaltet», erklärt Michael Mayer, Professor für Biophysik am AMI. «Mit der Beobachtung der einzelnen Moleküle und ihrer Aggregate erhalten können wir einen besseren Einblick in ihr Verhalten im Körper erschliessen». Diese Methode soll auch den Ärtzen ermöglichen, die Gesundheit von Patienten besser zu überwachen und neue Therapien zu entwickeln. Die Forschenden können so zudem untersuchen, welche Auswirkungen Amyloide auf neurodegenerative Krankheiten haben. Ziel der Forschenden ist nun, einen Apparat zu entwickeln, der es Wissenschaftlern und Ärzten ermöglicht, das Protein in Blutproben und anderen Körperflüssigkeiten zu messen. Schliesslich könnte diese Technologie auch angewendet werden zur Messung der Proteine, die mit Herz- und anderen Krankheiten im Zusammenhang stehen.

Artikel, erschienen in Nature Nanotechnology
Yusko E.C., Bruhn B.R., Eggenberger O.M., Houghtaling J.,  Rollings R.C., Walsh N.C., Nandivada S., Pindrus M., Hall A.R., Sept D., Li J., Kalonia D.S., Mayer M. Real-time shape approximation and fingerprinting of single proteins using a nanopore, Nat. Nanotech., 2016