Biomoleküle nachzuweisen ist schwierig und aufwändig. Eine Forschungsgruppe hat in der ersten Phase von GEN-AU ein hochempfindliches Gerät entwickelt, mit dem auf Biochips sogar einzelne Moleküle detektiert werden können. In der zweiten Phase wurden die Messmethoden für Anwendungen in der Krebsdiagnostik und der Immunologie maßgeschneidert. Die letzte GEN-AU Förderperiode soll dem Netzwerk beim Übergang in die post-GEN-AU Phase unterstützen: in dieser Zeit wird das Netzwerk vor allem bei der Etablierung von interdisziplinären Zusammenarbeiten assistieren, und bereitet sich damit für seine Rolle als Inkubator für Folgeprojekte der biomedizinischen Forschung vor.

Beschleunigte Forschungsabläufe

Die Errungenschaften der biologischen Forschung sind in einem hohen Maß durch den Einsatz höchst fortschrittlicher Biotechnologie und Innovationen im Bereich der Gerätetechnik möglich geworden. Neuartige Messinstrumente werden entworfen, um Analyseverfahren schneller, effizienter und durchsatzfähiger zu machen. Vor allem im Bereich der Mikroskopie können sich Forscherinnen und Forscher heute modernster Gerätschaften bedienen, die sogar die Betrachtung und Untersuchung von einzelnen DNA-Molekülen und Proteinen ermöglichen.

Ein solches High-Tech-Gerät wurde bereits im Rahmen der ersten GEN-AU Phase entwickelt. Diese neuartige Technologie ist in Form einer Service-Einheit Experimentatorinnen und Experimentatoren unterschiedlicher Forschungsinstitute zugänglich. Es zeigte sich aber, dass die dadurch ermöglichte molekulare Sichtweise nicht nur Antworten auf lang währende Fragen liefern, sondern vor allem die Augen für völlig neue Zugänge öffnen kann.

Sensible Technik findet seltene Krebsstammzellen und liefert den Zugang zu signalvermittelnden Nanostrukturen in Immunzellen

Einerseits steht dabei die mikroskopische Charakterisierung von Krebszellen im Mittelpunkt. Die hohe Sensitivität des Gerätes macht hier sogar den Nachweis kleinster Mengen von entarteten Krebsstammzellen möglich, was von unschätzbarem Wert für die Überprüfung des Therapieerfolgs von erfolgten Krebsbehandlungen ist. In der zweiten Studie wird das Gerät auf seine Anwendbarkeit bei der Untersuchung von Immunzellen getestet. Insbesondere sollen dabei die Mechanismen der Fremd-Selbst-Unterscheidung durch das Immunsystem, die besonders relevant bei der Entstehung von Autoimmunkrankheiten und Allergien ist, intensiv analysiert werden. Vor allem erlaubt diese Methode, spezielle Nanostrukturen, die die Signalübertragung über die Plasmamembran von T-Zellen kontrollieren, zu untersuchen.

i) Subpopulationen in heterogenen Proben können voneinander unterschieden und separat analysiert werden;

ii) Korrelationen zwischen verschiedenen molekularen Parametern können
aufgedeckt werden;

iii) dynamische Prozesse können ohne Synchronisation verfolgt werden;

iv) Einzelmoleküle können mit einer Genauigkeit weit unterhalb des optischen Beugungslimits lokalisiert werden, was als Grundlage für neuartige Mikroskopiemethoden mit einer Auflösung im zehn Nanometer-
Bereich benutzt wird;

v) selbst geringste Mengen einer Substanz können bioanalytisch nachgewiesen werden.

Offenbar machen diese Vorteile Einzelmolekül-Mikroskopie zu einem mächtigen Werkzeug für die Zellbiologie, wo in der Tat die meisten Proben heterogen sind, korrelierte molekulare Prozesse mit komplizierten und nicht synchronisierbaren Dynamiken ablaufen, Organisationsformen auf der Nanometer Längenskala bedeutend sind, sowie Expressionsmuster Bereiche von hunderttausenden bis zu wenigen Molekülen pro Zelle abdecken.

In unseren GEN-AU Projekten ?Ultra-sensitive Proteomik und Genomik I & II? haben wir eine einzigartige und hoch entwickelte Technologieplattform aufgebaut, welche für unmittelbare Anwendung der Einzelmolekültechniken in den verschiedenen Forschungsbereichen der Lebenswissenschaften ausgelegt ist: so können wir Einzelmoleküle direkt in lebenden Zellen, aber auch immobilisiert auf Biochips untersuchen; darüber hinaus wurde Mikrofluidik für die Manipulation kleinster Probenmengen etabliert. In diesem
Netzwerk möchten wir unsere Methoden der österreichischen biomedizinischen Forschung für gemeinsame Projekte zur Verfügung stellen und dabei kontinuierlich verfeinern. Das enorme Potential mag jedoch davon
ablenken, dass heterogene Proben mit der gegenwärtigen Technologie nach wie vor schwierig zu handhaben sind. So wäre es zum Beispiel der Traum vieler Wissenschaftler, eine funktionelle Studie genau an jener Zelle durchzuführen, welche vorher bereits in ihrer Struktur erfasst wurde. Wir werden uns daher in diesem Projekt insbesondere der Weiterentwicklung unserer Techniken hin zur korrelierten Analyse von Struktur, Funktion und Inhalt einzelner Zellen widmen.

Die Technologieentwicklungen werden anhand zweier biologischer Fragestellungen durchgeführt: Im ersten Arbeitspaket werden wir unter Verwendung von Microarrays Expressionsprofile auf der Einzelmolekülebene erstellen. Dabei bauen wir auf der Entwicklung einer Plattform zur Analyse geringster Probenmengen auf, welche ohne zusätzliche Probenamplifikation
Microarrays bis zum ultimativen Limit einzelner spezifisch hybridisierter cDNA-Moleküle auslesen kann. In der Folge werden wir die Möglichkeiten der Technik zur absoluten Konzentrationsbestimmung ausloten, die
Technik weiterentwickeln hin zur Einzelzell-Analyse bzw. zur Analyse von Proteinchips, und die Plattform anwenden auf die Charakterisierung von geringen Mengen an Tumorzellen, welche sich selbst nach Therapien im Körper befinden. Im zweiten Arbeitspaket versuchen wir eine neue Ebene des Verständnisses der spezifischen Immunantwort zu erlangen, indem wir strukturelle Faktoren mitberücksichtigen.

Die Unterscheidung gefährlicher Krankheitserreger von ungefährlichen Selbstantigenen wird durch die selektive T Zell-Antwort vermittelt. Als Schaltzentrale fungiert die immunologische Synapse, eine stabile
Kontaktzone zwischen der Antigen-präsentierenden Zelle und der T Zelle. Neben der spezifischen Erkennung des Antigens durch den T Zell-Rezeptor stellt die Synapse insbesondere eine Interaktionsplattform für eine Vielzahl von regulatorischen Molekülen dar ? Rezeptoren, Adpater Molekülen, Kinasen, Phosphatasen, Lipiden ? welche für die Feinabstimmung des korrekten Aktivierungs- Mechanismus eine kritische Rolle spielen. Wir werden hier Geräte entwickeln und anwenden, um die Protein-Positionen, Mobilitäten, Assoziationen sowie Interaktionen Zelle für Zelle studieren zu können; diese Informationen werden im Kontext der Aktivierungsmuster genau der gleichen T Zellen interpretiert.