Molekulare Ausgrenzung an der Plasmamembran 

Univ. Prof. Dr. Stefan Howorka, Institute für Biophysik, Johannes Kepler Universität Linz Univ. Prof. D.I. Dr. Gerhard J. Schütz, Institut für Angewandte Physik, TU Wien Die Plasmamembran bildet nicht nur eine schützende Hülle um biologische Zellen, sondern sie enthält auch eine Vielzahl wichtiger Proteine, einschließlich Rezeptoren, Transporter und Gerüstproteine. Die Kenntnis der räumlichen Organisation dieser Proteine ist entscheidend für das Verständnis molekularer Wechselwirkungen wie zum Beispiel Signalprozesse. Insbesondere führt die hohe Oberflächendichte von Proteinen an der Plasmamembran zu ausgeschlossenen Flächen, die die Diffusionswegeund somit das gegenseitigen Aufeinandertreffen von zwei beliebigen Membranproteinen beeinflussen. In diesem Projekt werden wir zum ersten Mal die Prinzipien bestimmen, die Membranproteinwechselwirkungen durch Quantifizierung von molekularen Crowding-Effekten an der Zelloberfläche bewirken. Als Sonde werden wir fluoreszierende DNA- Nanostrukturen einstellbarer Größe in die Plasmamembran einfügen. Ihre Diffusionswege werden mit Nanometerauflösung in situ aufgezeichnet, was es ermöglicht, Membranbereiche mit gehinderter Zugänglichkeit zu identifizieren. Der Ansatz wird angewendet, um Protein-Crowding-Effekte innerhalb der immunologischen Synapse zwischen T-Zellen und aktivierenden Oberflächen zu untersuchen. Gegenwärtig wird angenommen, dass Größenausschlusseffekte für die Initiierung des T- Zell-Signals entscheidend sind. Mit dieser Methode können wir die physikalischen Dimensionen von zugänglichen Bereichen an der Zelloberfläche in den verschiedenen Phasen der T-Zell-Aktivierung quantifizieren. Die Ergebnisse werden ein besseres Verständnis der T-Zell-Antigenerkennung ermöglichen, die einen der Schlüsselschritte bei der Immunantwort gegen Pathogene darstellt. In Zukunft wird auch das Engineering künstlicher chimärer Antigenrezeptoren stark von einem verbesserten mechanistischen Verständnis der T-Zell-Antwort profitieren und dadurch neue Strategien der Immuntherapie unterstützen.

Die Plasmamembran bildet eine Hülle um biologische Zellen und enthält zudem eine Vielzahl wichtiger funktioneller Proteine wie Rezeptoren, Transporter und Gerüstproteine. Die räumliche 3D-Anordnung dieser Proteine ist entscheidend für zahlreiche molekulare Prozesse, die an der Auslösung einer Immunantwort beteiligt sind. Entscheidend ist, dass die Dichte der Proteine ihre gegenseitige funktionelle Interaktion beeinflusst. In diesem Projekt haben wir einen Ansatz entwickelt, um erstmals die räumliche Bewegung von Proteinen auf der Zelloberfläche mit beispielloser Präzision unter 20 nm in allen drei Dimensionen zu bestimmen. Als wesentliche Sonde zur Entwicklung und Validierung dieses Ansatzes verwendeten wir hochdefinierte fluoreszierende DNA-Nanostrukturen mit anpassbaren Eigenschaften. Unser Ansatz wird verwendet, um wichtige Schritte während der Bildung der immunologischen Synapse aufzudecken, die eine Immunantwort gegen Krankheitserreger auslöst.