Infrarotmikroskopie: "Man weiß nicht, warum bestimmte Pharmaka besonders gut binden und andere kaum"

Interview mit Professor Joachim Heberle, Freie Universität Berlin

Die kleinsten Proteinstrukturen möchte Professor Joachim Heberle von der Freien Universität Berlin unter dem Mikroskop sichtbar machen. Mit einem aus der Physik stammenden Infrarotmikroskop soll es ihm gelingen. Welche Technik dahinter steckt und was er in Zukunft damit noch untersuchen möchte, darüber sprach er mit COMPAMED.de

03.02.2014

Joachim Heberle; © privat

Professor Joachim Heberle, Freie Universität Berlin, Department of Physics; © privat

COMPAMED.de: Herr Prof. Heberle, Sie untersuchen Proteinkomplexe mit einem, für die Biomedizin noch neuen Infrarotmikroskop. Warum können die von Ihnen untersuchten Strukturen nicht mit herkömmlichen Durchlicht- oder Auflichtmikroskopen untersucht werden?

Joachim Heberle: Wir betrachten Proteinkomplexe, die kleiner sind als das Beugungslimit.Das heißt, sie sind kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes und das kann man nach dem Abbe-Kriterium nicht mehr auflösen. Mittlerweile gibt es Fluoreszenz-Mikroskope, die sichtbares Licht verwenden und das Beugungslimit unterschreiten können, doch solche Mikroskope benötigen immer eine angefärbte Probe. Dies ist beim Infrarotmikroskop nicht nötig. Wir schauen auf das Schwingungsspektrum eines Moleküls und können sozum Beispiel Proteine von Lipiden unterscheiden.

COMPAMED.de: Wie funktioniert das Infrarotmikroskop?

Heberle: Das Infrarotmikroskop verwendet anstatt dem sichtbaren Licht Wärmestrahlung, die sehr niederenergetisch ist und das Protein nicht oder nur sehr schwach aufheizt. Das Besondere an diesem Mikroskop ist, dass man mithilfe einer feinen Nadelspitze infrarotes Licht aus einer Laserquelle streuen kann und das infrarote Streulicht mit der Probe interagiert. Das Licht wird von der Probe absorbiert, sodass man die laterale Auslösung über die Feinheit der Spitze bestimmen kann. Im Extremfall heißt das: Je feiner die Spitze, desto besser die laterale, also die seitlich ausgedehnte, Auflösung. Wir können mit dieser Technik Strukturen bis zu 30 Nanometern sichtbar machen.

COMPAMED.de: Welche Strukturen haben Sie bislang untersucht?

Heberle: Bislang konnten wir isolierte Proteinkomplexe, zum Beispiel Amyloidstrukturen, untersuchen. Diese können wir beispielsweise von viralen Strukturen differenzieren. Diese Strukturen sehen von außen betrachtet typologisch sehr ähnlich aus, sind in der molekularen Struktur jedoch sehr unterschiedlich. Mein Forschungsinteresse gilt insbesondere den integralen Membranproteinen. Sie sind das Hauptziel für ca. 70 Prozent aller auf dem Markt befindlichen Medikamente. Diese Membranproteine würde man gerne mikroskopisch sichtbar machen können, um sie von der umgebenden Lipidschichtdifferenzierenzu können. Das ist im Moment noch Forschung für die Zukunft, denn dafür ist eine noch höhere laterale Auflösung notwendig. Aber dann kann man vielleicht eine ganze Membran mikroskopisch untersuchen, ohne sie vorher anfärben zu müssen.

COMPAMED.de: Für welche Art von Forschung möchten Sie das Gerät in Zukunft einsetzen?

Heberle: Wir erhoffen uns, dass wir irgendwann in die zelluläre Forschung gehen können. Doch im Moment stehen wir noch am Anfang. Mein Interesse ist, ein grundlegendes, biophysikalisches Verständnis von biologischen Membranen, von ihrer Struktur und ihren Eigenschaften zu erhalten. Denn als Physiker wollen wir eine biologische Membran von Grund auf in ihrer Komplexität verstehen. Dafür sind struktur- und bildgebende Verfahren, wie die Infrarot-Nano-Spektroskopie, essentiell. Man kann sie auch mit mechanischen Messmethoden verknüpfen, indem man zum Beispiel Proteine aus der Membran herauszieht und ihre Kräfte sowie das Infrarotspektrum misst, um eine Idee zu bekommen, wie die Struktur sich ändert, wenn man am Protein zieht.
© Elmar Hubrich (FU Berlin, Exp. Molekulare Biophysik)/Iban Amenebar (CIC nanoGUNE, San Sebastian)
(links) Topographie einer natürlichen Membran (Purpurmembran aus Halobacterium salinarum), die auf die Oberfläche eines Silizium-Kristalls adsorbiert wurde. Die Topographie wurde im Rasterkraftmodus (AFM) ermittelt. Schwarze Strukturen entsprechen der Siliziumoberfläche und graue den Purpurmembranen. In Weiss erkennt man kleine Membranfragmente, die auf dem größeren Fragment liegen. (rechts) Infrarot-Nahfeld-Aufnahme, aufgenommen bei einer Frequenz von 1660 cm-1. Bei dieser Frequenz absorbiert die C=O-Streckschwingung des Polypeptids (hier das Transmembranprotein Bacteriorhodopsin). Gelb entspricht der Absorption durch eine einzelne Membran während die rote Farbe die IR-Absorption durch zwei Membranschichten anzeigt. Der blaue Hintergrund entspricht der Siliziumoberfläche; © Elmar Hubrich (FU Berlin, Exp. Molekulare Biophysik)/Iban Amenebar (CIC nanoGUNE, San Sebastian)

COMPAMED.de: Das Mikroskop eignet sich also für die pharmakologische Forschung?

Heberle: Richtig. Viele dieser Membranproteine sind in ihrer Funktionsdynamik noch wenig verstanden. Daher weiß man auch nicht, warum bestimmte Pharmaka besonders gut binden und andere kaum - auf diese Fragen gibt es noch keine Antworten. Das Infrarotmikroskop könnte sicherlich einen wesentlichen Beitrag leisten, um diese Antworten zu finden.

COMPAMED.de: Wie wichtig ist Ihnen die interdisziplinäre Zusammenarbeit?

Heberle: Mit dieser Methode, die mein Kollege Rainer Hillenbrand aus San Sebastianentwickelt hat, haben wir ein Verfahren der Festkörperphysik in die Biophysik beziehungsweise in die Biomedizin hineingebracht. Dies zeigt bereits, wie wichtig Interdisziplinarität ist.Die Proben, die wir untersuchen, kommen aus der Molekularbiologie oder aus der Biomedizin.Es besteht eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit zellbiologischen Labors, die zum Beispiel Krebszellen oder Alzheimer-Schnitte aus Gehirnen von Ratten oder Mäusen zur Verfügung stellen. Die Fragestellungenkommen also aus der Biomedizin, die Technik kommt aus der Physik und was den Funktionsmechanismus betrifft, da wird häufig chemisches beziehungsweise biochemisches Wissen verlangt.

COMPAMED.de: In welche Richtung würden Sie das Gerät gerne noch weiterentwickeln?

Heberle: Wir möchten mit dem Gerät einerseits noch eine höhere laterale Auflösung erreichen, also mehr als 30 Nanometer. Dennviele Proteine sind gerade einmal fünf bis zehn Nanometer groß. Andererseits wünschen wir uns natürlich, die Proteine in einer wässrigen Umgebung untersuchen zu können. Dabefinden wir uns im Moment noch in der Entwicklungsphase. Das ist nicht so einfach, weil das Wasser die Infrarotstrahlungdes Mikroskops sehr stark absorbiert. Aber Wasser ist genau das, was die Struktur einer biologischen Zelle bestimmt. Das heißt, wir müssen die Messmethode dahingehend anpassen. Ich bin aber sehr zuversichtlich, dass dies in naher Zukunft funktionieren wird.
Foto: Simone Ernst; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Simone Ernst.
COMPAMED.de