Photoswitching-Sensoren

Während schaltbare Reporter heutzutage in der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie üblich sind und wir bestrebt sind, dasselbe für die optoakustische Bildgebung zu erreichen, muss das Konzept des Photoswitchings – und damit die Bildgebungsmöglichkeiten – noch auf genetisch kodierte Sensoren für Ionen und kleine Moleküle übertragen werden. Die Idee ist, einen Sensor zu konstruieren, der nur Signal und Photoswitching liefert, wenn das interessierende Molekül gebunden ist. Unsere Gruppe hat kürzlich den ersten Prototyp eines solchen Sensors (einen Sensor für Ca2+-Ionen) bereitgestellt, der die Machbarkeit des Konzepts für die superauflösende Fluoreszenz sowie für die optoakustische Bildgebung zeigt. Wichtig ist, dass wir zeigen konnten, dass das chimäre Sensorengineering mit der Einführung des Photoswitchings kompatibel ist, sodass wir das Konzept auf Sensoren erweitern können, die auf periplasmischen Proteinen oder GPCRs als Ligandenbindungsdomäne basieren. Darüber hinaus konnten wir die molekularen und photophysikalischen Mechanismen aufklären, die ein faszinierendes Zusammenspiel zwischen Proteinmatrix und Schaltung zeigen. Unsere aktuelle Arbeit konzentriert sich darauf, Sensoren für die spezifischen Bildgebungsmodalitäten zu maßschneidern, z.B. die Erweiterung auf im nahen Infrarot absorbierende Bakteriophytochrome und die Erweiterung auf andere interessierende Moleküle. Das breite native Ligandenspektrum von periplasmischen Bindungsproteinen oder GPCRs wird es uns ermöglichen, Sensorstrategien effizient für unsere Zielmoleküle zu maßschneidern. Insgesamt ist das Ziel, neue Einblicke in die räumlich-zeitliche Verteilung von kleinen Molekülen und Ionen auf der Nanoskala und auf der Ebene des gesamten Tieres zu ermöglichen.

1. Mishra K, Fuenzalida-Werner JP, Pennacchietti F, Janowski R, Chmyrov A, Huang Y, Zakian C, Klemm U, Testa I, Niessing D, Ntziachristos V, Stiel AC. Prototyping genetically encoded photo-switchable indicators, new tools for optoacoustic imaging and fluorescence nanoscopy. Nature Biotechnol.2021.