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.
Forschung zu NIR- und SWIR-Bildgebung am NCT/UCC Dresden
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 Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (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.
Zwei neue Proteine erweitern das Spektrum der Infrarot-Bildgebung
„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 Dr. 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.
Quelle: Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (NCT/UCC) Dresden
Originalpublikation: Oliver T., BrunsChunfu Xu, David Baker et al.; De Novo Design of Near-Infrared Fluorescence-Activating Proteins, 2026; doi: 10.1021/jacs.5c19594
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.
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
