Das Protein SNAP-tag ist ein effektives Werkzeug, um Proteine in der Biobildgebung mithilfe synthetischer Fluorophore zu markieren. Forschende des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg haben nun eine erheblich verbesserte Version namens SNAP-tag2 entwickelt und die entsprechenden Substrate optimiert. Dadurch können Proteine in lebenden Zellen nun wesentlich schneller markiert werden.
Ein hochentwickelter SNAP-tag-Mutant
Selbstmarkierende Protein-Tags, wie das SNAP-tag, sind in der Biochemie weit verbreitete und leistungsstarke Werkzeuge. Sie ermöglichen es, helle und fotostabile synthetische Fluorophore an spezifische Proteine zu binden, um diese anschließend detailliert zu analysieren.
Die Entwicklung einer verbesserten Version, des SNAP-tag2, stellte die Forschenden vor große Herausforderungen. Stefanie Kühn, die das Projektteam am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung leitete, erläutert: „SNAP-tag wurde ursprünglich aus einem menschlichen DNA-Reparaturenzym entwickelt. Ein bereits stark verändertes Protein weiter zu verändern, war eine der größten Herausforderungen in unserer Arbeit.“ Neben Wissenschaftler:innen des MPI für medizinische Forschung, darunter Julien Hiblot, Veselin Nasufovic und Direktor Kai Johnsson, war auch ein Team der Universität Groningen an diesem Projekt beteiligt. Kühn fügt hinzu: „Zudem wollten wir einen Substratkern finden, der in Zellen mit verschiedenen Fluorophoren gut funktioniert. Wir haben uns daher für eine Kombination aus Substratoptimierung und Protein-Engineering entschieden, um SNAP-tag2 zu entwickeln.“
Erhöhte Reaktionsfähigkeit
Die bisherige breite Anwendung des SNAP-tags in der Arbeit mit lebenden Zellen wurde oft durch zwei Faktoren eingeschränkt: die relativ langsame Markierungsgeschwindigkeit und die begrenzte Zellgängigkeit der Substrate. Forschende des MPI für medizinische Forschung setzten sich zum Ziel, eine Lösung für dieses Problem zu finden. Mit der Entwicklung von SNAP-tag2 und neuen zellgängigen Substraten ist ihnen dies gelungen. Das Ergebnis ist eine hundertfach verbesserte Markierungsrate im Vergleich zu herkömmlichen SNAP-tag-Substrat-Paaren. SNAP-tag2 reagiert schnell mit den neuen zelldurchlässigen Substraten und ermöglicht so eine deutlich effizientere Proteinanalyse in lebenden Zellen.
Effizientere Fluoreszenzmarkierung in lebenden Zellen
SNAP-tag2 bietet eine Reihe weiterer signifikanter Vorteile. Wird es mit stark fluoreszierenden Farbstoffen markiert, so zeigt es eine fünffach hellere Fluoreszenz im Vergleich zum bisher verwendeten SNAP-tag. Die Leistungsfähigkeit von SNAP-tag2 ist auch in der Anwendung überzeugend: Es liefert bessere Ergebnisse als bisherige Tools, sowohl in Säugetierzellen als auch in Hefe.
Darüber hinaus eröffnet SNAP-tag2 neue Möglichkeiten für den Einsatz von superauflösenden Mikroskopietechniken wie der STED-Mikroskopie. Es ermöglicht zudem die Arbeit mit Zelltypen, die bisher als unempfindlich gegenüber chemischer Markierung galten, wie beispielsweise Hefezellen.
„SNAP-tag2 ist zusammen mit seinen verbesserten Substraten in allen von uns getesteten Anwendungen den bisher verwendeten SNAP-tag-Versionen überlegen. Wir hoffen, dass es sich auch in In-vivo-Anwendungen bewähren wird“, sagt Stefanie Kühn.
Weitere Anwendungsbereiche möglich
Zusammenfassend erwartet das Team, dass die deutlich verbesserte Leistung von SNAP-tag2 nicht nur den Einsatz dieses bereits etablierten Tools für die Echtzeit-Zell-Bildgebung und andere Anwendungen in den Lebenswissenschaften weiter vorantreiben wird. Darüber hinaus eröffnet SNAP-tag2 auch neue Möglichkeiten für Mehrfarben-Bildgebungsanwendungen, was die Forschung in diesem Bereich erheblich bereichern dürfte.
Quelle
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung (07/2025)
Publikation
Stefanie Kühn, Veselin Nasufovic, Jonas Wilhelm, Julian Kompa, Eline M. F. de Lange, Yin-Hsi Lin, Cornelia Egoldt, Jonas Fischer, Artem Lennoi, Miroslaw Tarnawski, Jochen Reinstein, Rifka Vlijm, Julien Hiblot & Kai Johnsson
SNAP-tag2 for faster and brighter protein labeling
Nature Chemical Biology (3. Juli 2025)
doi: 10.1038/s41589-025-01942-z
https://www.nature.com/articles/s41589-025-01942-z