Schneller Weg zum hochspezifischen Eisensensor

Für ein besseres Verständnis von Stoffwechselprozessen ist der präzise Nachweis zentraler Elemente in lebenden Organismen unerlässlich. Vor diesem Hintergrund haben Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) eine innovative computergestützte Methode entwickelt, um maßgeschneiderte Biosensoren für derartige Untersuchungen zu designen. Sie präsentieren mit „IronSenseR“ einen auf diese Weise realisierten Eisensensor.

Eisen nimmt als essenzielles Spurenelement eine Schlüsselrolle in biologischen Zellen ein. Dabei sind insbesondere seine Konzentration und sein Oxidationsstufe entscheidend für Prozesse wie die Zellatmung oder mikrobielle Stressantworten sind.

Dr. Athanasios Papadopoulos erläutert die Bedeutung der Neuentwicklung. „Die Fähigkeit, labiles Eisen in Echtzeit und mit hoher Spezifität innerhalb von lebenden Zellen zu beobachten, war bislang stark begrenzt. Unser neuer Biosensor ‚IronSenseR‘ ermöglicht es nun, solche Experimente durchzuführen und die Verteilung und Funktion des Eisens in lebenden Zellen zu ergründen.“

Computer-Design revolutioniert die Entwicklung genetisch kodierter Biosensoren

Zur effizienten Entwicklung genetisch kodierter Fluoreszenz-Biosensoren hat ein Team des Zentrums für Strukturanalyse (CSS) an der HHU die computerbasierte Methode „CoBiSe“ entworfen. Mit diesem Verfahren realisierten die Autoren den hochselektiven Eisen-II-Sensor „IronSenseR“. Seine Funktionalität wurde bereits erfolgreich in verschiedenen Bakteriensystemen wie Escherichia coli, Pseudomonas putida und Corynebacterium glutamicum zur Überwachung des intrazellulären Eisenpools getestet. Die Anwendungsstudien entstanden in enger Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Julia Frunzke, Prof. Dr. Thomas Drepper, Prof. Dr. Michael Bott sowie dem Center for Advanced Imaging (CAi).

„Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Biosensoren, dem sogenannten Biosensor-Design, dar“, betont Prof. Dr. Sander Smits. „Mit ihm können wir die Eisendynamiken in lebenden Zellen besser verstehen.“

Dr. Christoph G. W. Gertzen ergänzt: „Der Biosensor ermöglicht präzise Messungen zum Eisenstoffwechsel, um unter anderen auch mit Eisen zusammenhängende Erkrankungen weiter erforschen zu können. Die erfolgreiche Entwicklung macht Hoffnung, dass genetisch kodierte Biosensoren mittels ‚CoBiSe‘ auch für andere Metabolite und Metallionen schnell hergestellt werden können und darüber hinaus auch anderen maßgeschneiderte Proteine, etwa Enzyme.“

CoBiSe – Computational Biosensor Design

CoBiSe nutzt einen computergestützten und strukturbasierten Ansatz. Damit lassen sich präzise jene Stellen an Bindeproteinen finden, in die Biosensor-Kassetten eingebettet werden können. Die selektive Kopplung an biologische Zielstrukturen wird dabei nicht beeinträchtigt. Diese Kassetten enthalten fluoreszierende Moleküle. Unter dem Mikroskop werden sie sichtbar gemacht und verraten so die genaue Position der gesuchten Strukturen in der Zelle. Dabei ist die strukturelle Integrität entscheidend, damit die Funktion des Bindeproteins erhalten bleibt. Smits erklärt den entscheidenden Vorteil der neuen Methode: „Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die experimentell aufwendig und entsprechend langwierig sind, reduziert CoBiSe den Aufwand und die Zeit für die Entwicklung funktionaler Biosensoren deutlich und macht sie schneller einsetzbar.“

Der so entwickelte Eisen-Biosensors IronSenseR detektiert Eisen-II mit hoher Sensitivität, ohne auf Eisen-III oder andere zweiwertige Metallionen anzusprechen.

Einbindung in den Sonderforschungsbereich MibiNet

Das Projekt wurde im Rahmen des an der HHU angesiedelten Sonderforschungsbereichs SFB 1535 „MibiNet“ realisiert, der sich der Erforschung mikrobieller Netzwerke widmet. Da hierbei vor allem metabolitbasierte Kommunikationswege zwischen Mikroben eine entscheidende Rolle spielen, stellen die im zentralen Projekt (Z01) – einer Kooperation zwischen dem CSS und dem CAi – entwickelten Biosensoren ein herausragendes Werkzeug dar. Als nicht-invasive molekulare Methode ermöglichen sie es, dynamische Veränderungen wichtiger Metabolite direkt in lebenden Zellen präzise nachzuvollziehen.

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (01/2026)