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

Zucker sind essentielle Moleküle, die aktiv durch Membrantransporter ins Zellinnere aufgenommen werden. Dort dienen sie zur Energiegewinnung und als Bausteine während der Glykan-Synthese. Glykosilierung gehört zu den wichtigsten post-translationale Modifikationen. Jede Zelle ist mit einer dichten und komplexen Schicht aus Glykanen bedeckt. Diese als Glykokalyx bezeichnete Hülle spielt eine essentielle Rolle in verschiedenen Prozessen, wie Zell-Signalgebung, Adhesion oder Immunität, die auf Glykan-Mustererkennung basieren. Ein direkter Zugang zur chemischen Zusammensetzung, Struktur und Funktion der Glykokalyx ist allerdings erschwert durch die strukturelle Variabilität der Glykane und die kontinuierlichen, dynamischen Veränderungen der Schicht. Es ist unklar, wie die zelluläre Zuckeraufnahme die chemische Zusammensetzung der Glykokalyx aufrechterhält und beeinflusst. Verschiedene ex vivo Methoden haben einen wachsenden Katalog an Monosacchariden und Glykanstrukturen identifiziert. Zucker-assoziertes Pathwaydesign, erlaubt es Monosaccharide mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie spezifisch in vivo zu verfolgen. Das Markieren von Zuckern mittels fluoreszierender Marker bleibt jedoch schwierig. Diese können die Biokompatibilität der Zuckerbausteine beeinflussen. Die zelluläre Konzentration variiert zudem im nano- bis millimolaren Bereich abhängig vom Zuckertyp. Fluoreszenz-basierte Bildgebung ist schlecht geeignet, niedrig und hochkonzentrierte zelluläre Bestandteile zeitgleich zu verfolgen, wie beispielsweise einzelne Membrantransporter von Zuckern und deren Substrat. Trotz biomedizinischer Relevanz, fehlt es uns aktuell an einer bildgebenden Technologie, die es ermöglicht (unveränderte) Zucker während ihrer Aufnahme, Umwandlung und Einlagerung in die Glykokalyx örtlich und zeitlich innerhalb der Zelle zu verfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit, soll stimulierte Raman-Mikroskopie (SRS), die ich während meiner Doktorarbeit entwickelt habe, als bildgebende Methode von Zuckern etabliert werden. Um Moleküle im nano- bis millimolaren Bereich gleichzeitig zu visualisieren, werde ich ein neuartiges Mikroskop für Bildgebung in lebenden Zellen entwickeln, welche Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie und Breitband-Stimulierte Raman-Bildgebung kombiniert. Diese Vielkanalbildgebung besitzt chemische Spezifizität bei hohen Konzentration aber gleichzeitig Einzelmolekülsensitivität. Wir werden den Aufbau in Hinblick auf Zuckeraufnahme und –Einlagerung in Zellen entwickeln. Das Verfahren dient zur Quantifizierung von zellulärer Zuckeraufnahme durch GLUT Membrantransporter. Von Interesse ist, wie Raman-aktive Gruppen, die in Zucker-Analoga Verwendung finden, die Affinität und Aufnahmerate natürlicher Zucker verändern und ob diese unnatürlichen Zucker aktiv transportiert oder durch passive Diffusion in die Zelle gelangen. Im letzten Schritt soll die Eignung des entwickelte Verfahren als chemische Charakterisierungsmethode der zellulären Glykokalyx ausgelotet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen