NMR-kompatible BioMEMS-Plattform zur in-vivo und in-vitro Charakterisierung der Struktur und Funktion von Proteinen

• Antragsteller: Dr. Vlad Badilita; Neil MacKinnon, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268738192

Das Hauptziel von BIO-PRICE ist die Erforschung einer der zentralen Fragen der Molekularbiologie: die Wirkungsweise von Proteine in ihrer natürlichen Umgebung. Hierfür soll ein zuverlässiges NMR basiertes Verfahren entwickelt werden. Der erste Schritt wird die Entwicklung einer fluidischen BioMEMS Platform sein, welche eine schnelle und gezielt adressierbare Immobilisierung von Proteinen und Zellen erlaubt. Der nächste Schritt ist die Integration optimierter microNMR Sensoren an den Immobilisationsstellen, welche hochaufgelöste NMR-Messungen der immobilisierten Proben erlauben. Aus der Verbindung von Mikrosystemtechnik und Bioengineering soll eine der natürlich Zellumgebung nachempfundene Struktur geschaffen werden. Diese besteht aus einer Matrix elektrisch adressierbarer lokaler Mikrosensoren, welche in diese nachgebaute Zellumgebung eingebettet sind und stellt damit einen großen Schritt in Richtung Hochdurchsatz Protein-NMR dar.Um die Nutzbarkeit der Methode durch NMR und Biosystem Forscher sicher zustellen, hat das BIO-PRICE Team die folgenden Ziele herausgearbeitet:Z1: Nachbau des natürlichen Proteinumfelds um NMR-basierte Proteinmessung zu ermöglichen. Dieser Ansatz, das natürliche Umfeld nachzubauen, wird sowohl für in-vitro wie auch in-vivo Messungen benötigt.Z2: Gezielte Befüllung und räumlich hochgenaue Immobilisierung der Proben an den NMR Messpunkten für in-vitro Messungen. Um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, bedarf es einer Vielzahl an Messungen, wofür die Proben schnell und räumlich präzise gewechselt werden müssen. Der Mikrospulen Ansatz erlaubt zwar schnelle, hochaufgelöste Messungen, erfordert aufgrund der kurzen Reichweite der Spulen, aber auch eine genaue Positionierung der Proteine/Zellen.Z3: Entwicklung einer integrierten BioMEMS-Platform, welche die komplette Versorgung und Kultivierung der Zellen an den Messpunkten ermöglicht. Dies beinhaltet die Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff, so wie den Abtransport der Abbauprodukte.Z4: Zuverlässige Messung von bis zu drei unterschiedlichen Lamor-Frequenzen an jedem Messpunkt. Die Messungen müssen gleichzeitig an den unterschiedlichen Punkten durchführbar sein, so das eine multidimensionale Kartierung der Probe möglich ist. Z5: Möglichst starke an die Probengröße angepasste Reduzierung der Messspulengröße zur Optimierung der Messzeit. Die Spulen, sollen einen möglichst geringen ohmschen Widerstand aufweisen und ihre Form und das verwendete Material soll nach Möglichkeit perfekt suszeptibilitäts-angepasst sein um das bestmögliche Signal zu erhalten.Z6: Die Umsetzung einer schnellen, parallelen NMR Proteinanalyse. Die hierfür zu entwickelnde Plattform wird es ermöglichen, eine Vielzahl unterschiedlicher Nuklei breitbanding zu analysieren. Dies würde eine breite Anwendung ermöglichen, von Metabolyt- und Protein-basierten Medikamentenscreening zu kostengünstigen Anwendungen im Bereich der Point of Care NMR, ebenso wie Niedrigfeld Messungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen