Sensoren für „Ladezustand“ biologischer Zellen

Ein Team um den Pflanzenbiotechnologen Prof. Dr. Markus Schwarzländer von der Universität Münster und den Biochemiker Prof. Dr. Bruce Morgan von der Universität des Saarlandes hat Biosensoren entwickelt, mit denen sich das Verhältnis von NADPH zu NADP⁺ erstmals in lebenden Zellen in Echtzeit messen lässt.

Biologische Zellen haben viele lebenswichtige Funktionen im Organismus. Beispielsweise stellen sie Proteine, Kohlenhydrate und Fette her. Aber auch die Entgiftung schädlicher Moleküle und die Weiterleitung von Signalen und Schritte der Immunabwehr gehören zu ihren Aufgaben. Um diese Prozesse anzutreiben, ist ein sogenanntes Redoxpotential nötig. Es hängt vom Verhältnis von NADPH (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat in negativ geladener, „reduzierter“ Form) zu seiner oxidierten Form NADP⁺ ab. Ein Team um den Pflanzenbiotechnologen Prof. Dr. Markus Schwarzländer von der Universität Münster und den Biochemiker Prof. Dr. Bruce Morgan von der Universität des Saarlandes hat nun neue Biosensoren entwickelt, mit denen sich das Verhältnis von NADPH zu NADP⁺ erstmals in lebenden Zellen in Echtzeit messen lässt. Die Beobachtungen des Teams ermöglichen neue Einblicke in die Evolution der wichtigsten Schutzfunktion der Zellen, die zelluläre Entgiftung.

NADP ist an vielen Reaktionen in der Zelle beteiligt, bei denen Elektronen zwischen verschiedenen Stoffen übertragen werden. „Man kann sich das Verhältnis von NADPH zu NADP⁺ vorstellen wie den Ladezustand eines Akkus“, veranschaulicht Markus Schwarzländer. Allerdings verfügten alle biologischen Zellen über viele verschiedene Akkus, die zudem in unterschiedlichen Bereichen der Zellen verschiedene Ladungszustände haben. „Bisher konnten nur einige dieser Akkus ausgelesen werden oder die Zellen mussten dafür zerstört werden, was jedoch die Messungen verfälscht“, erklärt Doktorand Jan-Ole Niemeier. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben nun eine Familie von Biosensoren entwickelt, die einerseits genetisch codiert sind und damit von den Zellen selbst hergestellt und an den richtigen Ort in der Zelle transportiert werden. Andererseits lassen sie sich durch Licht beziehungsweise Fluoreszenz auslesen, sodass man sie zerstörungsfrei in lebenden Zellen und Geweben einsetzen kann.

Für die neuen Sensoren haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit gentechnischen Methoden ein bereits zuvor entwickeltes fluoreszierendes Molekül, das Teile eines Leuchtquallen-Proteins beinhaltet, so umgebaut, dass es spezifisch NADPH und NADP⁺ erkennt. Dabei stellten sie unter anderem fest, dass der „NADP-Ladezustand“ sehr robust ist und bei Bedarf besonders effizient vom Stoffwechsel nachgeladen wird. Zudem beobachteten sie „NADP-Ladezyklen“, also Oszillationen des Zell-Akkus, zwischen den Zellteilungen und den Einfluss der Photosynthese und der Verfügbarkeit von Sauerstoff auf den NADP-Akku. Ein weiterer wichtiger Befund war zudem, dass die Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies – wie Wasserstoffperoxid – in erster Linie über das in den Zellen vorhandene Glutathion (ein Tripeptid, das in der Zelle in vergleichsweise hohen Konzentrationen vorhanden ist) erfolgt, egal ob in Hefe-, Pflanzen- oder Säugerzellen. „Dieser Befund stellt die bislang vorherrschende Ansicht infrage, derzufolge der sogenannte Thioredoxin-Entgiftungsweg besonders wichtig für die Abwehr von oxidativem Stress ist“, betont Bruce Morgan.

Als weitere Arbeitsgruppe der Universität Münster war das Team des Zellbiologen Prof. Dr. Carsten Grashoff beteiligt, außerdem Arbeitsgruppen der Universitäten Köln und Brüssel. Das Projekt, dessen Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht wurden, erhielt finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, durch das Programm „Großgeräte der Länder“ von der DFG und dem Land Nordrhein-Westfalen sowie durch ein „Seed Grant for Innovative Techniques“ der Universität des Saarlandes.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Markus Schwarzländer
Universität Münster
Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen
E-Mail: markus.schwarzlander@uni-muenster.de

Prof. Dr. Bruce Morgan
Universität des Saarlandes
Biochemie
E-Mail: bruce.morgan@uni-saarland.de

Originalpublikation:

Scherschel M., Niemeier J.O. et al. (2024): A family of NADPH-NADP⁺ biosensors reveals in vivo dynamics of central redox metabolism across eukaryotes. Nature Communications 15, 10704; https://doi.org/10.1038/s41467-024-55302-x

https://www.uni-muenster.de/