Neue Designer-Proteine für tiefere Einblicke in lebendes Gewebe: Internationale Forschungsarbeit mit Dresdner Wissenschaftlern

Forschende des Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen (NCT/UCC) Dresden, darunter Prof. Oliver Bruns und Dr. Bernardo Arús, sind an einer internationalen Studie beteiligt, die erstmals vollständig neu entworfene Proteine für die Nahinfrarot- und Kurzwellinfrarot-Bildgebung entwickelt hat. Die Arbeiten wurden gemeinsam mit einem internationalen Team unter Beteiligung des Chemie-Nobelpreisträgers Prof. David Baker durchgeführt. Er war 2024 für seine Arbeiten zum computergestützten Proteindesign ausgezeichnet worden. Die Studie mit geteilter Erstautorenschaft („Shared First Author“) wurde vor kurzem im Journal of the American Chemical Society (JACS) veröffentlicht, einem der führenden Chemiejournale weltweit.

Fluoreszierende Proteine sind zentrale Werkzeuge, um biologische Prozesse in lebenden Zellen sichtbar zu machen. Besonders vielversprechend sind Signale im Nahinfrarot- (NIR) und Kurzwellinfrarotbereich (SWIR), da diese Wellenlängen tiefer ins Gewebe eindringen und weniger störende Hintergrundsignale erzeugen als sichtbares Licht. Genau an diesem Punkt setzt die Forschung von Prof. Oliver Bruns an. Er ist Leiter der Abteilung für Funktionelle Bildgebung in der Operativen Onkologie am NCT/UCC Dresden, einer gemeinsamen Einrichtung vom Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ), dem Universitätsklinikums Dresden, der Medizinischen Fakultät der Technischen Universität Dresden (MF-TUD) und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR). Bereits 2024 wurde Bruns für seine Arbeit an der innovativen SWIR-Bildgebungstechnologie mit dem Helmholtz High Impact Award ausgezeichnet. Die aktuelle Studie zeigt nun, dass sich solche langwelligen Lichtsignale auch mithilfe vollständig neu designter Proteine erzeugen lassen.

„Dank computergestützten Proteindesigns und maßgeschneiderter Farbstoffe gelang es uns auf diese Weise erstmals, Proteine zu entwickeln, die im NIR- und SWIR-Bereich fluoreszieren. Das bedeutet einen grundlegenden Fortschritt im Bereich des de novo Proteindesigns, da diese Eigenschaften in der Natur bislang nicht vorkommen“, ordnet Bernardo Arús, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe von Oliver Bruns, die Bedeutung der Forschung ein. Eines der beiden neu entwickelten Proteine leuchtet besonders stark im fernroten Bereich. Die Fluoreszenz des zweiten reicht sogar bis in den kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR). In Zellkultur- und Tierexperimenten ließen sich damit biologische Strukturen mit hoher Empfindlichkeit darstellen.

„Diese neu entwickelten Proteine erweitern das Werkzeugset für die Bildgebung in lebenden Organismen und könnten künftig dazu beitragen, Krankheitsmechanismen, biologische Prozesse oder Therapieeffekte auch in tiefer liegenden Gewebeschichten zu untersuchen“, erläutert Oliver Bruns. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit das Potenzial moderner KI-gestützter Designmethoden, neue biologische Funktionen überhaupt erst gezielt entwickeln zu können.

Die Studie "De Novo Design of Near-Infrared Fluorescence-Activating Proteins": https://doi.org/10.1021/jacs.5c19594

An der internationalen Zusammenarbeit waren zahlreiche führende Forschungseinrichtungen beteiligt, darunter

Institute for Protein Design (University of Washington, USA)
Howard Hughes Medical Institute (USA)
National Institute of Biological Sciences (China)
Tsinghua University (China)
Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) / Heidelberg
Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (NCT/UCC) Dresden
Technische Universität Dresden und Universitätsklinikum Carl Gustav Carus
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Helmholtz Munich einschließlich des Institute of Biological and Medical Imaging
MRC Laboratory of Molecular Biology (UK)
National Cancer Institute (NIH, USA)
Universität Regensburg

Hintergrund:
In seiner Forschung zu einer neuen medizinischen Bildgebungstechnologie im kurzwelligen Infrarotbereich, kurz SWIR-Technologie, kombiniert Oliver Bruns kurzwelliges Infrarotlicht mit speziellen fluoreszierenden Farbstoffen und modernster Kameratechnologie. Damit gelingt es, die bisher größte Herausforderung bei der optischen Bildgebung, die Durchdringung menschlichen Gewebes, zu überwinden. Ziel ist es, noch während einer Operation einzelne Krebszellen an Tumorrändern und in Lymphknoten erkennen zu können. Die SWIR-Technologie könnte in Kombination mit speziellen Fluoreszenzfarbstoffen bestimmte Gewebe und Strukturen, wie Tumore oder Blutgefäße, gezielt sichtbar machen.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Oliver Bruns
Funktionelle Bildgebung in der Operativen Onkologie
Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (NCT/UCC) Dresden
oliver.bruns@nct-dresden.de

Kontakt für die Medien:
Anne-Stephanie Vetter
Stabsstelle Öffentlichkeitsarbeit Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus
der Technischen Universität Dresden
Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (NCT/UCC) Dresden
Tel.: +49 (0) 351 458 17903
anne-stephanie.vetter@tu-dresden.de