Zellmembran hatte keine rezeptoren oder ionenkanäle
Die lebende Zelle als Sensor
17. Dezember 2001
Zellen, die in allen Lebewesen vorkommen, sind im Laufe der Jahre zu Experten für die chemische Wahrnehmung ihrer Umgebung geworden. Dank dieser Fähigkeit können die Zellen chemisch miteinander kommunizieren, was von Gedanken über Wahrnehmung bis hin zum Herzschlag alles ermöglicht. Hinter der Kommunikation stecken sogenannte Ionenkanäle in den Membranen der Zellen.
Ionenkanäle sind Proteine, die auf der Oberfläche der Zelle sitzen. Ein spezieller Teil des Ionenkanals wird als Rezeptor bezeichnet, der die Substanzen bindet, die die Zelle erkennt. Die Erkenntnis ist sehr spezifisch, dass die Chemikalie wie angegossen in den Rezeptor passen muss. Dadurch wird der Ionenkanal aktiviert, wodurch ein Transport von Ionen durch die Zellmembran entsteht. Dieser Transport verursacht einen kleinen Strom, der mit einer mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Technologie namens Patch-Clamp gespeist werden kann.
Wir haben ein Nachweisverfahren entwickelt, bei dem eine einzelne lebende Zelle (0,02 Millimeter im Durchmesser) wird verwendet, um Substanzen zu detektieren, die ihn auf der Ebene des Ionenkanals beeinflussen.
Warum? Nun, Zellen sind bereits Experten darin, zu erkennen, was sich in ihrer Umgebung befindet. Herkömmliche Nachweismethoden sprechen zum Beispiel nur davon, dass ein Molekül Licht abgibt oder absorbiert. Nur weil ein Molekül Licht aussendet, heißt das noch lange nicht, dass es eine biologische Funktion hat. Indem Sie lebende Zellen als Detektoren verwenden, schlagen Sie also zwei Fliegen mit einer Klappe.
Erstens, wenn die Zelle in Gegenwart eines Stoffes ein Signal auslöst, bedeutet dies, dass dieser Stoff eine biologisch relevante Wirkung hat.
Zweitens kann man durch das Studium, wie die Zelle (der Detektor) auf die Substanz reagiert,
auch etwas über die Eigenschaften der Zelle lernen. Das entwickelte
Zelldetektorsystem kann daher genutzt werden, um nach Substanzen im Körper oder Medikamenten zu suchen, die Ionenkanäle beeinflussen.
Da einige Arten von Substanzen den gleichen Ionenkanaltyp aktivieren, müssen die Substanzen vor der Trennung getrennt werden Die Zelle ist ihnen ausgesetzt, sonst ist es unmöglich zu sagen, ob es eine einzelne Substanz oder mehrere sind, die das Signal hervorrufen.
Die Kapillarelektrophorese ist eine Trennmethode, bei der sehr kleine Mengen von Proben analysiert werden können. Die Substanzen werden je nach Molekülgröße und Ladung getrennt, wobei die Kapillaren idealerweise in Banden unterteilt bleiben. Der Ausgang der Kapillare, deren Abmessungen (0,050 Millimeter) denen der Zelle entsprechen, ist auf
die Oberfläche der Zelle gerichtet, so dass die abgetrennten Substanzen nacheinander nachgewiesen werden.
Viele der heute auf dem Markt erhältlichen Medikamente beeinflussen die Ionenkanäle auf die eine oder andere Weise.
Trotzdem gibt es heute keine Möglichkeit, die Aktivität von Ionenkanälen in Zellen auf der Suche nach wirksamen Medikamenten in großem Maßstab zu messen. Wir wollen daher
die in der Arbeit vorgestellte Idee so weiterentwickeln, dass Hunderte von Detektorzellen parallel verwendet werden können, anstatt wie heute möglich ein paar drei.
In der Arbeit werden auch Elektroporationsmethoden vorgestellt die auf einzelnen Zellen angewendet werden können.
Elektroporation ist das, was es sich anhört, eine elektrische Spannung, die über die Zelle gelegt wird und zu kleinen, wiederverschließbaren Poren in der Zellwand der Zelle
, d.h. der Zellmembran, führt. Diese Technik wird verwendet, um Substanzen in die Zelle zu bekommen, die es sonst nicht durch die Zellmembran schaffen. Die Technik kann für verschiedene Zwecke verwendet werden: Genetisches Material kann in die Zelle eingebracht werden, so dass der
Ionenkanal, den Sie als Detektor verwenden möchten, exprimiert wird, oder Marker können in die Zelle eingeführt werden, um Krankheitszustände zu erkennen, die zu chemischen Veränderungen in der Zelle führen.
Eine weitere sehr spannende Anwendung ist
die Verwendung der Elektroporation für das Einbringen von Substanzen in einzelne Zellen, wobei die Zelle als Reaktionsbecher dienen würde. Es hat sich gezeigt, dass sich biologische Reaktionen auf kleinem Raum, wie z.B. in einer Zelle, völlig anders verhalten als die großen Volumina, die traditionell bei der Untersuchung von Reaktionen verwendet werden.
sie Mit Elektroporationsmethoden wurden auch Substanzen in das Gewebe eingebracht, die in Zukunft zur Behandlung von Krankheiten wie Krebs und Parkinson eingesetzt werden können.
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Cecilia Farre, Abteilung für Chemie, Analytische Chemie und Meereschemie, verteidigt am Mittwoch, den 19.
Dezember um 10.15 Uhr ihre Doktorarbeit in Chemie mit Spezialisierung auf Analytische Chemie. Die Arbeit trägt den Titel "Development of
Single Cell Biosensors: Patch Clamp Detection in Capillary Electrophoresis and Single Cell Electroporation". Der Standort ist Hall KC, Kemi Building, Chalmers Area, Göteborg.
Cecilia Farre, Universität
Göteborg Institut für Chemie, Analytische Chemie und Meereschemie
Telefon: 031-772 2781,E-Mail: cecilia.farre@mc2.chalmers.se
Tanja Thompson, Informationsbeauftragte, Universität Göteborg
Fakultät Büro für Naturwissenschaften, Box 460, 405 30 Göteborg, Telefon: 031-773 4857, E-Mail: tanja.thompson@science.gu.se
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