Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Biophysik

Entfaltung in der magnetischen Pinzette

München, 02.09.2019

LMU-Physiker haben ein hochsensitives Verfahren zur Kräftemessung an Proteinen entwickelt und konnten damit erstmals die frühen Schritte der Blutgerinnung direkt beobachten.

Ein Molekül des Von-Willebrand-Faktors in unterschiedlichen Stadien der Öffnung: offen (links), teilweise geschlossen (Mitte), vollständig geschlossen. Aufnahmen: AG Lipfert

Proteine sind zentrale Bausteine des Lebens und an fast allen zellulären Prozessen beteiligt: Sie geben den Zellen unter anderem Struktur, transportieren Stoffe und katalysieren zahlreiche chemische Reaktionen. Viele Proteine sind dabei äußeren Kräften ausgesetzt und einige von ihnen „messen” diese Kräfte sogar, um auf ihre Umgebung reagieren zu können. Ein wichtiges Beispiel ist der Von-Willebrand-Faktor, ein Protein, das die Blutgerinnung einleitet. Oft sind die wirkenden Kräfte allerdings so gering, dass sie bisher nicht gemessen werden konnten. Ein Forscherteam um die LMU-Physiker Dr. Martin Benoit und Professor Jan Lipfert hat nun einen wesentlich empfindlicheren Ansatz entwickelt: Mithilfe sogenannter magnetischer Pinzetten können mehr als 100-fach geringere Kräfte als bisher erfasst werden. Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS berichten, konnten sie mit ihrer neuen Methode erstmals direkt beobachten, wie sich der Faktor bei geringen molekularen Kräften entfaltet.

Wie Proteine durch die Einwirkung mechanischer Kräfte reguliert werden, wird mithilfe der Protein-Kraftspektroskopie untersucht. Dabei wird an einem einzelnen Protein gezogen und seine Reaktion erfasst. Die bisher dafür verwendeten Rasterkraftmikroskope eignen sich am besten für Kräfte von etwa 100 Piko-Newton. „Viele molekulare Prozesse werden jedoch durch wesentlich geringere Kräfte ausgelöst“, sagt Lipfert. „Daher braucht man für Messungen im molekularen Maßstab empfindlichere Geräte – man kann ja mit einer Badezimmerwaage auch keine Küchenzutaten abwiegen.“

Deshalb entwickelten die Wissenschaftler eine neue Methode, bei der die Proteine zwischen einer Glasoberfläche und kleinen magnetischen Kugeln eingespannt werden. Anschließend werden mithilfe externer Magnete Kräfte angelegt, die auf die Proteine wirken. „Dieser Ansatz wird als magnetische Pinzette bezeichnet“, sagt Lipfert. „Er hat den großen Vorteil, dass wir sehr kleine Kräfte bis deutlich unter ein Piko-Newton auflösen können. Zudem kann man mit den magnetischen Pinzetten sehr lange und stabil messen.“

In der Praxis getestet haben die Wissenschaftler ihre Methode am Von-Willebrand-Faktor. Dieses Protein zirkuliert im Blutkreislauf und hat unter normalen Durchblutungsbedingungen eine relativ kompakte Form. Wenn sich aufgrund von Verletzungen die Scherkräfte im Blutstrom erhöhen, entfaltet sich der das Protein, was wiederum Bindungsstellen etwa für Blutplättchen freilegt und eine Reaktionskaskade auslöst, die schließlich die Blutung beendet. „Ausgelöst wird die Kaskade durch viel geringere molekulare Kräfte, als wir bisher messen konnten“, sagt Lipfert. Wie die Wissenschaftler mit ihrer magnetischen Pinzette zeigten, öffnet sich bei etwa ein Piko-Newton der sogenannte Stamm des Von-Willebrand-Faktors, zwei bisher zu einem Doppel verbundene Proteine lösen sich ähnlich wie die beiden Teile eines Reißverschlusses voneinander. „Wir gehen davon aus, dass dieses Verhalten, das wir erstmals direkt beobachten konnten, der erste Schritt der Blutgerinnung ist“, sagt Lipfert. „Unser Ansatz liefert ein detailliertes Bild davon, welche Kräfte und Längenänderungen beteiligt sind. Wir sind überzeugt, dass er zukünftig dazu beitragen kann, die Funktion des Von-Willebrand-Faktors in vivo besser zu verstehen.“
PNAS 2019