Entwicklung genetisch kodierter K+-Fluoreszenzsensoren

Die subzelluläre Anreicherung von Kaliumionen (K+) ist ein unerlässlicher biochemischer Vorgang, welche wichtige zellphysiologische Abläufe steuert. Vor allem erregbare Zellen wie Muskel-, Nerven- und Drüsenzellen sind in der Lage über Zellmembranen ihre K+-Konzentrationen zu verändern, um damit auf unterschiedliche Reize adäquat reagieren und spezifische Funktionen richtig erfüllen zu können. Störungen der Kaliumhomöostase auf zellulärer Ebene führen daher zu schweren Ausfallserscheinungen von Zellen und ganzen Organen. Solche Defekte im zellulären Kaliumhaushalt könnenunterschiedliche Erkrankungen des Herzkreislauf- und Nervensystems, sowie Stoffwechselstörungen, Muskelerkrankungen und möglicherweise sogar Krebs auslösen und Altersvorgänge beeinflussen. Man nimmt an, dass für die Aufrechterhaltung normaler Zellfunktionen auch innerhalb einer Zelle K+ in den verschiedenen Zellorganellen unterschiedlich stark angereichert und gezielt zwischen den einzelnen Zellkompartimenten ausgetauscht werden. Diese offenbar wichtigen intrazellulären Verschiebungen sind kaum erforscht, weil es bisher an Techniken fehlt, welche Messungen von K+-Konzentrationsänderungen innerhalb von lebenden Zellen mit hoher zeitlich- und räumlicher Auflösung ermöglichen. In diesem Forschungsprojekt werden nun neuartige, aus fluoreszierenden Eiweißmolekülen aufgebaute K+ Sensoren entwickelt. Diese nanoskopischen Biosensoren können in Zellkompartimenten eingebracht werden, wodurch Echtzeitmessungen von lokalen K+ Änderungen erstmals zugänglich werden. Die Entwicklung, Testung und Anwendung der neuen leuchtenden K+ Biosensoren für bestehende hochauflösenden Fluoreszenzmesssystemen soll ein besseres Verständnisüber selbst kleinste Ionenveränderungenliefern - winzige Ionenveränderungen mit womöglich großen Auswirkungen auf die Gesundheit.

In diesem Projekt haben wir neuartige, fluoreszierende Biosensoren entwickelt, die es ermöglichen, Veränderungen in der Konzentration von Kaliumionen ([K+]) in lebenden Zellen präzise und sensibel zu messen. Diese Nano-Maschinen bestehen aus fluoreszierenden Eiweißmolekülen und können sowohl in Zellen als auch an Zelloberflächen und in Körperflüssigkeiten eingesetzt werden. Durch die Verwendung dieser Sensoren können lokale Veränderungen in [K+] erstmals mit hoher Präzision erfasst und auf ihre Auswirkungen auf das Signalverhalten und den Stoffwechsel von Zellen untersucht werden. Socher Veränderungen sind unter anderem bei neurologischen Defekten, Stoffwechselerkrankungen und bei Krebs von Bedeutung. Wir hoffen, dass unsere neuen Sensoren dazu beitragen werden, diese Erkrankungen besser verstehen zu können, um ihnen dann effizient entgegenzuwirken.