In diesem Projekt nutzen die Forschenden die Kernspinmagnetresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR-Spektroskopie) für die Untersuchung von unbekannten biologischen Prozessen des Stoffwechsels (Metabolismus). Diese Methode eignet sich insbesondere für die Analyse des Metaboloms, also der Gesamtheit der Stoffwechselprodukte eines Organismus oder einer Zelle. Mithilfe der NMR-Spektroskopie lassen sich strukturelle Informationen über Moleküle auf der Nanometerskala bestimmen. In diesem Projekt kommt die NMR-Spektroskopie sowohl für zielgerichtete (targeted) als auch nicht-zielgerichtete (non-targeted) Metabolom-Analysen zum Einsatz. Die Informationen aus gezielten Untersuchungen von festgelegten Metaboliten-Sets können etwa zur Frühdiagnose von Erkrankungen oder zur Überwachung von Arzneimitteltherapien beitragen. Nicht-gerichtete Analysen finden bei der Untersuchung biochemischer Netzwerke und unbekannter Stoffwechselwege Anwendung.
Metabolomische Netzwerkmodelle für unvollständige Reaktionswege
Entlang eines Stoffwechselwegs rufen Enzyme normalerweise sukzessive Transformationen hervor. Unvollständige Spezifität, Instabilität oder Reaktivität mancher Enzyme können allerdings zu einer fehlerhaften chemischen Umsetzung führen. Diese unbeabsichtigten Veränderungen werden in einem gesunden Stoffwechsel durch metabolomische Seitenreaktion kompensiert oder korrigiert. Wenn deren Funktion jedoch gestört ist, besteht die Möglichkeit, dass „nicht-kanonische“ Metabolite entstehen, also untypische Varianten von Metaboliten, die Erkrankungen auslösen können. Derzeit sind metabolomische Seitenreaktionen noch weitestgehend unerforscht und es gibt kaum Möglichkeiten, potenzielle Seitenreaktionen in einem Reaktionsweg gezielt zu lokalisieren. Diese Prozesse zu verstehen sowie mögliche Reparaturenzyme zu identifizieren, könnte daher ein großes Potenzial für die Therapie von Erkrankungen darstellen.
Um potenzielle unvollständige Reaktionswege zu identifizieren, konstruieren die Forschenden am ISAS mithilfe der NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie Netzwerkmodelle spezifischer Metabolite in bestimmten Teilbereichen der Stoffwechselwege. In weiteren Schritten wollen sie mögliche zugrunde liegende enzymatische Reaktionen und Enzyme von Reparaturmechanismen identifizieren.
Optimierung der NMR-Spektroskopie
Die Untersuchungen mittels NMR-Spektroskopie sind nicht-invasiv und benötigen nur wenig Probenvorbereitung. Im Vergleich zur Massenspektrometrie weisen sie allerdings eine geringere Empfindlichkeit auf. Deshalb arbeiten die Wissenschaftler:innen daran, die Analysemethode hinsichtlich der Sensitivität zu optimieren. Gleichzeitig verfolgen sie das Ziel, auch die Empfindlichkeit für Proben mit begrenzter Masse und Volumen zu verbessern.
3D-Modelle der Zellen
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung neuer in-vitro-Methoden. Der biologische 3D-Druck ermöglicht es, gezielt und flexibel Testmodelle für spezifische biologische Fragestellungen zu erzeugen. Solche Modelle kombinieren die Forschenden mit mikrofluidischen Elementen, Lab-on-a-Chips, sowie mit dem Einsatz von Zellmodellen in Form von Spheroiden. So können sie Analysen an Systemen durchzuführen, die zum Beispiel die physiologischen Bedingungen einer Erkrankung simulieren.
Ergebnisse einer NMR- Spektroskopischen Analyse von 3D- Zellkulturmodellen. (a) zeigt lichtmikroskopische Aufnahmen der Modellzellen. Die Graphen b) und c) bilden die Intensitäten der nachgewiesenen Metabolite ab in den Zellen. d) zeigt ihre relative radiale Verteilung. Hervorgehoben sind Milchsäure (blau), Glukose (grau) sowie der Bereich, in dem die Phosphorylcholin-Konzentration über der Hälfte ihres Maximums liegt.
© ISAS / Roland Hergenröder
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