Neue Farbvarianten

Modell des grün fluoreszierenden Proteins (GFP). Bild vergrößern
Modell des grün fluoreszierenden Proteins (GFP).

Voraussetzung für die Konstruktion neuer GFP-Varianten war die genaue Kenntnis der dreidimensionalen Struktur des Quallenproteins. Das Protein sieht aus wie ein kleines Fass, dessen Dauben elf so genannte beta-Faltblättern bilden. In seinem Innern befindet sich der leuchtende Teil des Moleküls. Der aktive Chromophor wird aus einer hervorstehenden Seitenkette gebildet, die aus drei Aminosäuren besteht.

Aus der Kenntnis dieser Struktur heraus lässt sich nun vorhersagen, wie sich der Austausch einzelner Aminosäurebausteine auf die Leuchterscheinung auswirkt. Das natürliche Quallenprotein absorbiert am besten bei etwa 396nm (an der Grenze zwischen violett und nahem ultraviolett). Es gibt ein zweites Absorptionsmaximum bei 476nm (im blaugrünen Spektralbereich). Man weiß inzwischen, dass die kurzwelligere Absorptionsbande auf den elektrisch neutralen Zustand des Chromophors zurückgeht, während die langwelligere nur auftritt, wenn der leuchtende Molekülteil eine negative Ladung trägt. Durch subtile Veränderungen derjenigen Aminosäurebausteine, die dem Chromophor hinreichend nahe kommen, um seinen Ladungszustand zu beeinflussen, können Forscher GFP-Varianten mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften erzeugen.

So wurden Proteine mit veränderten Absorptions- und Emissionsspektren von blau bis gelb erzeugt. Zusammen mit der grünen „Urform“ lassen sie sich für Mehrfarbmarkierungen einsetzen, sodass man nun die Expression mehrerer transferierter Gene gleichzeitig messen kann. Dazu bedarf es nur eines einfachen Fluoreszenz-Spektrometers, das verschiedene Anregungs- und Abstrahlungswellenlängen nacheinander abfragen kann. Besonders interessiert sind die Forscher allerdings an einer dauerhaft rot leuchtenden GFP-Variante. Denn rot leuchtende Proteine benötigen grünes Anregungslicht. Dieses ist energieärmer und schädigt die lebende Zelle weniger als blaues Licht, welches das GFP braucht.

1996 haben Wissenschaftler der Universität Ulm fluoreszierende, zur GFP-Familie gehörende Proteine mit den unterschiedlichsten spektralen Eigenschaften in nicht biolumineszenten Nesseltieren entdeckt. Überraschenderweise wurden darunter auch Spezies mit roter Färbung gefunden.So zeigen die Tentakel der Seeanemone Entacmaea quadricolor bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht eine intensive orange-farbene Fluoreszenz. Aus diesem Nesseltier gelang den Forschern die Isolierung und Charakterisierung eines rot fluoreszierenden Proteins (eqFP611), welches die bislang langwelligste Emission und größte Stokes-Verschiebung (Differenz der Wellenlängen zwischen ein- und ausgehendem Licht) aller natürlich vorkommenden GFP-Varianten aufweist.

In den Tentakelspitzen der Wachsrose Anemonia sulcata, eine Korallenart, die in den lichtdurchfluteten Flachwasserbereichen des Mittelmeers vorkommt, sitzt ebenfalls ein rot fluoreszierendes Protein (asFP595). Dieses kann durch Licht zwischen einem fluoreszierenden („Ein“) und einem nicht fluoreszierenden („Aus“) Zustand beliebig hin- und hergeschaltet werden. Es handelt sich quasi um einen molekularen Lichtschalter, der eine Vielzahl neuartiger Anwendungen von der Zellbiologie bis hin zur Datenspeicherung verspricht. Anhand von Röntgenstrukturanalysen und Computersimulationen konnten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie zeigen, dass das Chromophor durch Beleuchtung mittels cis-trans-Isomerisierung seine Struktur und damit seine Position ändert – um das winzige Drittel eines Milliardstel Meters!

Ursprünglich war das alles Grundlagenforschung, und es ging eigentlich nur um die Frage, wie eine Qualle es fertig bringt, grün zu leuchten.

Christina Beck (2006)

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