Kombinierte Bildgebung basierend auf kohärenter Raman-Streuung und Fluoreszenz zur Untersuchung von Zuckeraufnahme in lebenden Zellen

• Antragstellerin: Dr. Evelyn Plötz
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426814631

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Bedeutung von Zuckern in zellulären Prozessen zu verstehen, ist aufgrund ihrer Rolle in Stoffwechselwegen und Glykosylierungsprozessen essentiell. Glykane, aufgebaut aus einzelnen Monosacchariden, sind zentral für die Zell-Signalgebung, Zelladhäsion oder Glykokalyx. Veränderungen in ihrer Glykosylierung weisen oft auf pathologische Zustände wie Entzündungen oder Tumorentstehung hin, was die Notwendigkeit betont, die Zusammensetzung und Funktion von Zuckern aufzuklären. Strukturmethoden bieten zwar detaillierte Analysen des Glykoms, jedoch fehlt es an räumlicher Information über die zelluläre Verteilung von Zuckern. Optische Mikroskopie, insbesondere Fluoreszenzmikroskopie, ermöglicht Einblicke in subzelluläre Strukturen und dynamische Prozesse. Während metabolic oligosaccharide engineering es erlaubt, modifizierte Zuckermoleküle gezielt zu markieren, ist deren zellulärer Aufnahmeweg unklar, was innovative bildgebende Verfahren erfordert. Ziel dieses Projekts war es, SRS-Mikroskopie mit fluoreszenzbasierter Bildgebung zu kombinieren, um zelluläre Zuckeraufnahme und - speicherung markierungsfrei nachvollziehen und GLUT-Transporter mittels Fluoreszenz-Bildgebung zu untersuchen. In diesem Projekt haben wir den MOSAIC-Aufbau für korrelative Mikroskopie entwickelt, hierfür ein SRS-Mikroskop aufgebaut und in ein konfokales multimodales Mikroskop integriert sowie Aufnahme- und Auswertesoftware für korrelative Bildgebung entwickelt. Der finale Aufbau ermöglicht korrelative Vielkanal-Fluoreszenz-Mikroskopie, nichtlineare Mikroskopie sowie ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie für insitu-Messungen. MOSAIC wurde sowohl für transparente Materialen wie Graphen, als auch für zelluläre Proben wie Gewebeschnitten, Sphäroide und Einzelzellen optimiert. Hierzu haben wir den Aufbau zusätzlich noch für Fluoreszenz-Lebensdauer-Mikroskopie erweitert. Da zelluläre Zuckeraufnahme streng reguliert ist, haben wir schließlich Metall-organische Gerüststrukturen (MOFs) als Trägersysteme für Zucker erforscht und verschiedene MOFs auf Partikelebene untersucht. Unsere Forschung hat neue Materialeigenschaften aufgedeckt und signifikante Auswirkungen von Defekten auf Materialparameter sowie ihre optische Reaktion oder die Aufnahmekapazität für Gastmoleküle aufgezeigt. Wir haben MOSAIC zunächst für 'kleine' Moleküle optimiert, und MOF-Systeme für atmosphärische Wassergewinnung, Wasserstoffspeicherung und CO2-Aufnahme untersucht. Wir erweitern derzeit unseren Aufbau für 3D Tracking, mit dem Ziel, die Dynamik von MOF Nanopartikeln innerhalb zellulärer Umgebungen in Echtzeit zu verfolgen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Metal–Organic Framework Nanoparticles Induce Pyroptosis in Cells Controlled by the Extracellular pH. Advanced Materials, 32(19).
  Ploetz, Evelyn; Zimpel, Andreas; Cauda, Valentina; Bauer, David; Lamb, Don C.; Haisch, Christoph; Zahler, Stefan; Vollmar, Angelika M.; Wuttke, Stefan & Engelke, Hanna
  
• Modular Assembly of Red Blood Cell Superstructures from Metal–Organic Framework Nanoparticle‐Based Building Blocks. Advanced Functional Materials, 31(10).
  Guo, Jimin; Yu, Yunlong; Zhu, Wei; Serda, Rita E.; Franco, Stefan; Wang, Lu; Lei, Qi; Agola, Jacob Ongudi; Noureddine, Achraf; Ploetz, Evelyn; Wuttke, Stefan & Brinker, C. Jeffrey
  
• The Chemistry of Reticular Framework Nanoparticles: MOF, ZIF, and COF Materials. Advanced Functional Materials, 30(41).
  Ploetz, Evelyn; Engelke, Hanna; Lächelt, Ulrich & Wuttke, Stefan
  
• Applications of reticular diversity in metal–organic frameworks: An ever-evolving state of the art. Coordination Chemistry Reviews, 430, 213655.
  Ejsmont, Aleksander; Andreo, Jacopo; Lanza, Arianna; Galarda, Aleksandra; Macreadie, Lauren; Wuttke, Stefan; Canossa, Stefano; Ploetz, Evelyn & Goscianska, Joanna
  
• Artificial Bioaugmentation of Biomacromolecules and Living Organisms for Biomedical Applications. ACS Nano, 15(3), 3900-3926.
  Cao, Jiangfan; Zaremba, Orysia T.; Lei, Qi; Ploetz, Evelyn; Wuttke, Stefan & Zhu, Wei
  
• FRET-based dynamic structural biology: Challenges, perspectives and an appeal for open-science practices. eLife, 10.
  Lerner, Eitan; Barth, Anders; Hendrix, Jelle; Ambrose, Benjamin; Birkedal, Victoria; Blanchard, Scott C.; Börner, Richard; Sung, Chung Hoi; Cordes, Thorben; Craggs, Timothy D.; Deniz, Ashok A.; Diao, Jiajie; Fei, Jingyi; Gonzalez, Ruben L.; Gopich, Irina V.; Ha, Taekjip; Hanke, Christian A.; Haran, Gilad; Hatzakis, Nikos S. ... & Weiss, Shimon
  
• Graphene-on-Glass Preparation and Cleaning Methods Characterized by Single-Molecule DNA Origami Fluorescent Probes and Raman Spectroscopy. ACS Nano, 15(4), 6430-6438.
  Krause, Stefan; Ploetz, Evelyn; Bohlen, Johann; Schüler, Patrick; Yaadav, Renukka; Selbach, Florian; Steiner, Florian; Kamińska, Izabela & Tinnefeld, Philip
  
• Single Crystals Heterogeneity Impacts the Intrinsic and Extrinsic Properties of Metal–Organic Frameworks. Advanced Materials, 34(3).
  Fuchs, Adrian; Mannhardt, Petra; Hirschle, Patrick; Wang, Haoze; Zaytseva, Irina; Ji, Zhe; Yaghi, Omar; Wuttke, Stefan & Ploetz, Evelyn
  
• Spatio-selective activation of nuclear translocation of YAP with light directs invasion of cancer cell spheroids. iScience, 24(3), 102185.
  Illes, Bernhard; Fuchs, Adrian; Gegenfurtner, Florian; Ploetz, Evelyn; Zahler, Stefan; Vollmar, Angelika M. & Engelke, Hanna
  
• Sponges as bioindicators for microparticulate pollutants?. Environmental Pollution, 268, 115851.
  Girard, Elsa B.; Fuchs, Adrian; Kaliwoda, Melanie; Lasut, Markus; Ploetz, Evelyn; Schmahl, Wolfgang W. & Wörheide, Gert
  
• Structural and biophysical characterization of the tandem substrate-binding domains of the ABC importer GlnPQ. Open Biology, 11(4).
  Ploetz, Evelyn; Schuurman-Wolters, Gea K.; Zijlstra, Niels; Jager, Amarins W.; Griffith, Douglas A.; Guskov, Albert; Gouridis, Giorgos; Poolman, Bert & Cordes, Thorben
  
• The Current Status of MOF and COF Applications. Angewandte Chemie International Edition, 60(45), 23975-24001.
  Freund, Ralph; Zaremba, Orysia; Arnauts, Giel; Ameloot, Rob; Skorupskii, Grigorii; Dincă, Mircea; Bavykina, Anastasiya; Gascon, Jorge; Ejsmont, Aleksander; Goscianska, Joanna; Kalmutzki, Markus; Lächelt, Ulrich; Ploetz, Evelyn; Diercks, Christian S. & Wuttke, Stefan
  
• Chemical Synthesis of the Fluorescent, Cyclic Dinucleotides cthGAMP. ChemBioChem, 23(8).
  Veth, Simon; Fuchs, Adrian; Özdemir, Dilara; Dialer, Clemens; Drexler, David Jan; Knechtel, Fabian; Witte, Gregor; Hopfner, Karl‐Peter; Carell, Thomas & Ploetz, Evelyn
  
• Reticular Nanoscience: Bottom-Up Assembly Nanotechnology. Journal of the American Chemical Society, 144(17), 7531-7550.
  Andreo, Jacopo; Ettlinger, Romy; Zaremba, Orysia; Peña, Quim; Lächelt, Ulrich; de Luis, Roberto Fernández; Freund, Ralph; Canossa, Stefano; Ploetz, Evelyn; Zhu, Wei; Diercks, Christian S.; Gröger, Harald & Wuttke, Stefan
  
• System of sequences in multivariate reticular structures. Nature Reviews Materials, 8(5), 331-340.
  Canossa, Stefano; Ji, Zhe; Gropp, Cornelius; Rong, Zichao; Ploetz, Evelyn; Wuttke, Stefan & Yaghi, Omar M.
  
• A new twist on PIFE: photoisomerisation-related fluorescence enhancement. Methods and Applications in Fluorescence, 12(1), 012001.
  Ploetz, Evelyn; Ambrose, Benjamin; Barth, Anders; Börner, Richard; Erichson, Felix; Kapanidis, Achillefs N.; Kim, Harold D.; Levitus, Marcia; Lohman, Timothy M.; Mazumder, Abhishek; Rueda, David S.; Steffen, Fabio D.; Cordes, Thorben; Magennis, Steven W. & Lerner, Eitan
  
• Conquering Metal–Organic Frameworks by Raman Scattering Techniques. Advanced Functional Materials, 34(43).
  Tittel, Jonas; Knechtel, Fabian & Ploetz, Evelyn
  
• Deep-LASI: deep-learning assisted, single-molecule imaging analysis of multi-color DNA origami structures. Nature Communications, 14(1).
  Wanninger, Simon; Asadiatouei, Pooyeh; Bohlen, Johann; Salem, Clemens-Bässem; Tinnefeld, Philip; Ploetz, Evelyn & Lamb, Don C.
  
• Multicolor 3D Orbital Tracking. Small, 19(17).
  Mieskes, Frank; Ploetz, Evelyn; Wehnekamp, Fabian; Rat, Virgile & Lamb, Don C.
  
• Water Harvesting at the Single-Crystal Level. Journal of the American Chemical Society, 145(26), 14324-14334.
  Fuchs, Adrian; Knechtel, Fabian; Wang, Haoze; Ji, Zhe; Wuttke, Stefan; Yaghi, Omar M. & Ploetz, Evelyn
  
• Deep-LASI, single-molecule data analysis software. Biophysical Journal, 123(17), 2682-2695.
  Asadiatouei, Pooyeh; Salem, Clemens-Bässem; Wanninger, Simon; Ploetz, Evelyn & Lamb, Don C.