Neue Technologie schaut auf die elektrischen Signale im Inneren von Zellen – kann neue Forschungsfelder inspirieren

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Wissenschaftler der University of Chicago leisten Pionierarbeit mit einer neuen Methode zur Messung der Elektrizität in Zellen.
Elektrizität ist ein Schlüsselbestandteil in lebenden Körpern.

Wir wissen, dass Spannungsunterschiede in biologischen Systemen wichtig sind; sie treiben den Herzschlag an und ermöglichen es Neuronen, miteinander zu kommunizieren.

Aber jahrzehntelang war es nicht möglich, Spannungsunterschiede zwischen Organellen – den membranumhüllten Strukturen im Inneren der Zelle – und dem Rest der Zelle zu messen.
Eine bahnbrechende Technologie, die von UChicago-Wissenschaftlern entwickelt wurde, erlaubt es den Forschern jedoch, in die Zelle hineinzuschauen, um zu sehen, wie viele verschiedene Organellen Spannungen nutzen, um Funktionen auszuführen.

“Wissenschaftler hatten schon lange bemerkt, dass geladene Farbstoffe, die zum Färben von Zellen verwendet werden, in den Mitochondrien stecken bleiben”, erklärt Doktorand Anand Saminathan, der Erstautor der Arbeit, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde. “Aber es wurde bisher nur wenig getan, um das Membranpotenzial anderer Organellen in lebenden Zellen zu untersuchen.”
Das Krishnan-Labor an der UChicago ist darauf spezialisiert, winzige Sensoren zu bauen, die sich im Inneren von Zellen bewegen und über das Geschehen berichten, so dass Forscher verstehen können, wie Zellen funktionieren – und wie sie bei Krankheiten oder Störungen zusammenbrechen. In der Vergangenheit haben sie solche Maschinen gebaut, um unter anderem Neuronen und Lysosomen zu untersuchen.
In diesem Fall entschieden sie sich, die Technik zu nutzen, um die elektrischen Aktivitäten der Organellen innerhalb lebender Zellen zu untersuchen.
In den Membranen von Neuronen befinden sich Proteine, die als Ionenkanäle bezeichnet werden und als Tore für geladene Ionen dienen, die in die Zelle ein- und austreten.

Diese Kanäle sind essentiell für die Kommunikation von Neuronen. Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass Organellen ähnliche Ionenkanäle haben, aber wir waren uns nicht sicher, welche Rolle sie spielen.
Das neue Werkzeug der Forscher, Voltair genannt, ermöglicht es, dieser Frage weiter nachzugehen.

Es funktioniert wie ein Voltmeter, das die Spannungsdifferenz zwischen zwei verschiedenen Bereichen innerhalb einer Zelle misst. Voltair ist aus DNA aufgebaut, kann also direkt in die Zelle gehen und auf tiefere Strukturen zugreifen.
In ihren ersten Studien suchten die Forscher nach Membranpotenzialen – einem Spannungsunterschied zwischen dem Inneren einer Organelle und dem Äußeren.

Sie fanden Hinweise auf solche Potenziale in mehreren Organellen, wie trans-Golgi-Netzwerken und Recycling-Endosomen, von denen man bisher annahm, dass sie überhaupt keine Membranpotenziale haben.
“Ich denke also, dass das Membranpotenzial in Organellen eine größere Rolle spielen könnte – vielleicht hilft es den Organellen zu kommunizieren”, sagt Prof. Yamuna Krishnan, ein Experte für nukleinsäurebasierte molekulare Geräte.
Ihre Studien sind nur der Anfang, so die Autoren; Voltair bietet Forschern in vielen Bereichen eine Möglichkeit, Fragen zu beantworten, die sie bisher nicht einmal stellen konnten.

Es kann sogar in Pflanzen eingesetzt werden.
“Diese neue Entwicklung wird zumindest Gespräche in Gang setzen und vielleicht sogar ein neues Forschungsgebiet inspirieren”, so Saminathan.
Referenz: “A DNA-based voltmeter for organelles” von Anand Saminathan, John Devany, Aneesh Tazhe Veetil, Bhavyashree Suresh, Kavya Smitha Pillai, Michael Schwake und Yamuna Krishnan, 2. November 2020, Nature Nanotechnology.DOI: 10.1038/s41565-020-00784-1
Finanzierung: National Institutes of Health, University of Chicago Women’s Board, Searle Funds at The Chicago Community Trust

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