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Nachbarschaftsbefragung

(27.9.17) Die räumliche Anordnung von Biomolekülen in komplexen biologischen Strukturen ist entscheidend für ihre Funktion. Mit einer neuen Technik können Biowissenschaftler die verzwickten Nachbarschaftsverhältnisse in Molekül-Ensembles untersuchen.

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© Whyss Institut

Zu den gängigen Methoden, mit denen Forscher die Nachbarschaftsverhältnisse von Molekülen untersuchen, zählen zum Beispiel Mikroskopie-Verfahren, Förster-Resonanz-Techniken sowie biochemische Methoden wie Yeast-two-Hybrid-Analysen oder die Co-Immunopräzipitation. Neue Barcode-basierte DNA-Techniken, wie zum Beispiel Proximity Ligation Assays, lösen die Nachbarschafts-Beziehungen sogar mit der Präzision einzelner Moleküle auf. Diese Techniken haben jedoch allesamt einen entscheidenden Schwachpunkt: die Proben binden jeweils nur an ein Molekül und verknüpfen dieses anschließend mit einem einzelnen benachbarten Molekül. Sie liefern also nur die räumlichen Informationen für ein einziges benachbartes Molekül.

In komplexen biologischen Strukturen können die einzelnen Moleküle jedoch von vielen weiteren Nachbarmolekülen umgeben sein. Eine neue Methode, die sich Auto-cycling Proximity Recording (APR) nennt, dröselt auch die Nachbarschaftsverhältnisse zwischen diesen Molekülen auf (Nature Communications). Entwickelt wurde die Technik von der Gruppe des DNA-Spezialisten Peng Yin vom Whyss Institut der Universität Harvard. Bei der APR-Technik interagieren die Proben nicht nur kontinuierlich und automatisch sondern auch wiederholt mit sämtlichen Molekülen, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft befinden. Die APR-Sonde klappert also nicht nur alle Nachbarn ab, sie klopft auch mehrmals bei diesen an, wodurch sich die Signalstärke erhöht.

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Als APR-Proben dienen haarnadelförmige DNA-Fragmente, die mit ihren Schleifen, je nach Art des Ziels, über Antikörper, Aptamere oder Nukleinsäurehybridisierung an ihre Zielmoleküle binden. Der eigentliche APR-Zyklus, an dessen Ende ein doppelsträngiges DNA-Fragment steht das die Nachbarschafts-Informationen enthält, ist ein ziemlich wilder Parforceritt durch isothermale DNA-Kopierverfahren. Yins Leute ziehen sämtliche Register, damit letztlich jeweils ein Strang einer Hairpin-Probe, mit einem Strang der benachbarten Probe hybridisieren kann. Über die Sequenzierung des hieraus resultierenden doppelsträngigen DNA-Fragments kann man die benachbarten Zielmoleküle schließlich zurückverfolgen. Der detaillierte APR-Mechanismus dürfte nur etwas für hartgesottene Molekularbiologen sein. Wer Spaß daran hat, ihn exakt zu sezieren, findet ihn auf der zweiten Seite des Papers.

Dass die Technik grundsätzlich funktioniert, demonstrierte die Gruppe zunächst anhand von Biotin-Proben die benachbarte Streptavidin-Moleküle aufspüren sollten. Aus den Sequenzen der entsprechenden DNA-Fragmente die der APR-Zyklus ausspuckte, schlossen Yins Mitarbeiter, dass die Biotin-Proben tatsächlich die Streptavidin-Ziele einzeln abgeklappert und ihre jeweiligen Nachbarn "notiert" hatten.

Noch eine Schippe drauf legten die Wissenschaftler mit Experimenten, bei denen die Proben komplizierte Muster in DNA-Origamis erkennen mussten. Auch diese Aufgabe lösten sie mit Bravour. Die Proben spiegelten die geometrischen Verhältnisse in den jeweiligen DNA-Origamis exakt wieder und zeichneten nur dann ein Nachbarschaftsverhältnis auf, wenn sie sich genügend nahe kamen.

 

Harald Zähringer

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Letzte Änderungen: 19.10.2017

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