Quantifizierung multivalenter Wechselwirkungen und massive Parallelisierung kraftspektroskopischer Messungen mittels Mikrofluidik am Beispiel von Virus-Rezeptor-Wechselwirkungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Multivalente Wechselwirkungen, d. h. die parallele Ausbildung vieler schwacher Einzelwechselwirkungen zu einer starken Gesamtwechselwirkung, werden bei einer Vielzahl biologischer Prozesse beobachtet wie der Anheftung von Infektionserregern an Zellen oder der Modulation von Signalkaskaden. Eine Quantifizierung solcher Wechselwirkungen ist kompliziert, da die einzelne Wechselwirkung in der Regel schwach ist (mit Affinitäten im µM- bis mM-Bereich) und daher nur vorübergehend innerhalb des multivalenten Komplexes ausgebildet wird, so dass die Anzahl aller beteiligten Wechselwirkungen (die Valenz) im Laufe der Zeit und innerhalb des Ensembles erheblich schwanken kann. Eine genaue Quantifizierung solcher Wechselwirkungen erfordert daher Methoden, die die Valenz auf der Ebene einzelner Wechselwirkungskomplexe als auch für viele Komplexe parallel untersuchen können (was eine statistisch relevante Charakterisierung des Ensembles ermöglicht). Das Ziel dieses Projekts ist die Etablierung von zwei Assays, die grenzflächensensitive Fluoreszenzmikroskopie (TIRF) einsetzen, um multivalente Wechselwirkungen zu quantifizieren. Im ersten Assay wird die transiente Interaktion von fluoreszenzmarkierten Viren mit rezeptorhaltigen Lipiddoppelschichten (SLBs) unter Gleichgewichtsbedingungen mit Hilfe der TIRF-Mikroskopie vermessen, wodurch multivalente Wechselwirkungen mit Einzelvirusauflösung und von Hunderten von Viren parallel untersucht werden kann. Wir konnten zeigen, dass die Mobilität einzelner, SLB-gebundener Viren ein Maß für deren Valenz darstellt und es ermöglicht, drei Schlüsselparameter zu extrahieren: die Virusanbindungsrate, die Valenzverteilung sowie die Verteilung der valenzabhängigen Ablöserate). Darüber hinaus führte die Zugabe von Virusinhibitoren erwartungsgemäß zu Veränderungen der multivariaten Virus-Membran-Wechselwirkung, so dass durch das TIRF-basierte Bindeassay ein neuer Ansatz zur Quantifizierung der Virusinhibitoreffizienz bereitgestellt wird. In einem zweiten Assay wurde TIRF-Mikroskopie mit Mikrofluidik kombiniert, wodurch schwache Wechselwirkungen mit hydrodynamischen Scherkräften belastet werden können (hydrodynamische Kraftspektroskopie). Auf diese Weise konnten wir Tausende von Makromolekülen/Wechselwirkungskomplexen parallel vermessen und hervorragende Genauigkeiten erzielen (Auflösung: sub-pN (Kraft), sub-nm-(Raumauflösung)). In diesem Projekt wurden somit zwei neue Methoden zur Quantifizierung von Wechselwirkungen erfolgreich eingeführt; beide erlauben, Schlüsselinformationen zu extrahieren, die bisher durch komplementäre Ansätze nicht oder nur sehr schwierig ermittelt werden konnten. Die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit dieser Assays wurde durch die Untersuchung der Eigenschaften multivalenter Virus-Rezeptor-Wechselwirkungen (und ihrer Veränderung bei Zugabe von Virusinhibitoren), des sequentiellen Abrisses multivalenter Wechselwirkungen sowie der sequentiellen Entfaltung von Proteinen unter Krafteinwirkung nachgewiesen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Brownian Motion at Lipid Membranes: A Comparison of Hydrodynamic Models Describing and Experiments Quantifying Diffusion within Lipid Bilayers. Biomolecules, 8(2), 30.
Block, Stephan
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Competition for Membrane Receptors: Norovirus Detachment via Lectin Attachment. Journal of the American Chemical Society, 141(41), 16303-16311.
Parveen, Nagma; Rydell, Gustaf E.; Larson, Göran; Hytönen, Vesa P.; Zhdanov, Vladimir P.; Höök, Fredrik & Block, Stephan
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Mobility-Based Quantification of Multivalent Virus-Receptor Interactions: New Insights Into Influenza A Virus Binding Mode. Nano Letters, 19(3), 1875-1882.
Müller, Matthias; Lauster, Daniel; Wildenauer, Helen H. K.; Herrmann, Andreas & Block, Stephan
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Analysis and refinement of 2D single-particle tracking experiments. Biointerphases, 15(2).
Kerkhoff, Yannic & Block, Stephan
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Directed manipulation of membrane proteins by fluorescent magnetic nanoparticles. Nature Communications, 11(1).
Li, Jia Hui; Santos-Otte, Paula; Au, Braedyn; Rentsch, Jakob; Block, Stephan & Ewers, Helge
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Mucin‐Inspired, High Molecular Weight Virus Binding Inhibitors Show Biphasic Binding Behavior to Influenza A Viruses. Small, 16(47).
Wallert, Matthias; Nie, Chuanxiong; Anilkumar, Parambath; Abbina, Srinivas; Bhatia, Sumati; Ludwig, Kai; Kizhakkedathu, Jayachandran N.; Haag, Rainer & Block, Stephan
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Automated Solvent‐Free Polymerization of Hyperbranched Polyglycerol with Tailored Molecular Weight by Online Torque Detection. Macromolecular Materials and Engineering, 306(7).
Wallert, Matthias; Plaschke, Johann; Dimde, Mathias; Ahmadi, Vahid; Block, Stephan & Haag, Rainer
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Heteromultivalent topology-matched nanostructures as potent and broad-spectrum influenza A virus inhibitors. Science Advances, 7(1).
Nie, Chuanxiong; Stadtmüller, Marlena; Parshad, Badri; Wallert, Matthias; Ahmadi, Vahid; Kerkhoff, Yannic; Bhatia, Sumati; Block, Stephan; Cheng, Chong; Wolff, Thorsten & Haag, Rainer
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Microfluidics‐Based Force Spectroscopy Enables High‐Throughput Force Experiments with Sub‐Nanometer Resolution and Sub‐Piconewton Sensitivity. Small, 19(14).
Kerkhoff, Yannic; Azizi, Latifeh; Mykuliak, Vasyl V.; Hytönen, Vesa P. & Block, Stephan
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Receptor Density-Dependent Motility of Influenza Virus Particles on Surface Gradients. ACS Applied Materials & Interfaces, 15(20), 25066-25076.
Hamming, P. H. Erik; Overeem, Nico J.; Diestelhorst, Kevin; Fiers, Tren; Tieke, Malte; Vos, Gaël M.; Boons, Geert-Jan P. H.; van der Vries, Erhard; Block, Stephan & Huskens, Jurriaan
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Endothelial tip-cell position, filopodia formation and biomechanics require BMPR2 expression and signaling. Communications Biology, 8(1).
Hiepen, Christian; Benamar, Mounir; Barrasa-Fano, Jorge; Condor, Mar; Ilhan, Mustafa; Münch, Juliane; Hastar, Nurcan; Kerkhoff, Yannic; Harms, Gregory S.; Mielke, Thorsten; Koenig, Benjamin; Block, Stephan; Rocks, Oliver; Abdelilah-Seyfried, Salim; Van Oosterwyck, Hans & Knaus, Petra
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Lignin-Based Mucus-Mimicking Antiviral Hydrogels with Enzyme Stability and Tunable Porosity. ACS Applied Materials & Interfaces, 17(6), 8962-8975.
Chandna, Sanjam; Povolotsky, Tatyana L.; Nie, Chuanxiong; Schwartz, Sophia; Wedepohl, Stefanie; Quaas, Elisa; Ludwig, Kai; Boyakova, Yulia; Bhatia, Sumati; Meyer, Klas; Falkenhagen, Jana; Haag, Rainer & Block, Stephan
