Cellulära processer på membran är ofta snabba och kortlivade. Molekyler samlas kort, separera igen, interagerar med olika partners och rör sig längs eller genom membranet. Det är därför viktigt att inte bara studera statiska ögonblicksbilder av dessa processer, men också för att förstå deras dynamik. Men hur kan detta uppnås metodiskt? Petra Schwille från Max Planck Institute of Biochemistry och Nikolas Hundt från Ludwig Maximilians University har tillsammans med sitt team utvecklat metoden Mass-Sensitive Particle Tracking—MSPT, som gör det möjligt att analysera proteiner under dynamiska processer på membran.

Utgångspunkten för biofysikerna var de senaste framstegen inom massfotometri, som redan skulle kunna användas för att bestämma molekylmassan för omärkta molekyler i lösning. Det som är nytt med MSPT är att dynamiken hos membranassocierade proteiner nu kan spåras i deras biologiskt rimliga miljö. I denna process, individuella proteiner identifieras genom sin molekylmassa utan behov av märkning. Frederik Steiert, en av de första författarna till publikationen, säger:"Vi kan nu spåra direkt på biologiska membran vilken massa enskilda proteiner har, hur de rör sig och hur de interagerar. Detta gör att vi kan studera dynamiken i biologiska system mer i detalj." Att analysera dynamiska processer är särskilt viktigt inom biologi eftersom många processer vid membranet är övergående.

Massbestämning genom ljusspridning

Vilka principer bygger den nya metoden på? När ljus träffar en partikel, ljuset är spritt. Intensiteten hos det spridda ljuset beror på partikelns massa. Videor där enskilda proteiner på membran görs direkt synliga spelas in med ett mikroskop. Med hjälp av analysmjukvara, dessa proteiner kan spåras och deras spridningssignal, och därmed deras massa, kan bestämmas. Detta är för närvarande möjligt för proteiner med en molekylvikt på minst 50 kDa, dvs för en stor del av alla kända proteiner. En annan fördel med den nya MSPT-metoden är att proteiner inte behöver märkas. Märkning kan uppnås, till exempel, genom att fästa fluorescerande taggar på molekyler. Dock, märkning innebär risk för att proteiner kan försämras i sin funktion eller att de fluorescerande märkningarna kan blekas under experimentet. Genom att använda MSPT, i kontrast, metodiska problem som kan uppstå vid märkning förhindras.

MinDE proteinsystem

För att demonstrera metodens potential för biologiska frågor, biofysikerna använde ett etablerat system från Schwillelaboratoriet:MinDE-proteinsystemet från bakterien Escherichia coli (E. coli). MinD- och MinE-proteiner är involverade i E. coli-celldelning. Tamara Heermann, en annan första författare, säger:"Metoden tillåter oss att karakterisera egenskaper hos dynamiska system som tidigare inte var mätbara. Detta gjorde att vi inte bara kunde verifiera etablerade resultat om Min-systemet, men också för att få nya insikter." Genom att använda MSPT, teamet kunde visa att komplexen av MinD-proteiner är större än man först trodde. Dessutom, experimenten ger första insikter om att MinE kan fungera som en kopplingsdel för MinD-proteiner och att den därmed kan initiera membranfrisättning av större komplex.

Som rapporterats i den nya tidningen i Naturmetoder , MSPT ger värdefulla insikter för att belysa dynamiska processer vid biologiska membran. Dock, forskarna arbetar kontinuerligt med att förbättra metoden ytterligare. I framtiden, Metoden bör även vara tillämpbar för integrala membranproteiner och den bör tillåta detektering av ännu mindre proteiner.