Forscher der Chalmers University of Technology und der Universität Göteborg in Schweden haben etwas erreicht, das lange Zeit für fast unmöglich geh alten wurde - die Moleküle des Neurotransmitters Glutamat zu zählen, die freigesetzt werden, wenn ein Signal zwischen zwei Gehirnzellen übertragen wird. Mit einer neuen Analysemethode zeigten sie, dass das Gehirn seine Signale mithilfe von Glutamat auf mehr Arten reguliert als bisher angenommen.
Die Möglichkeit, die Aktivität und Menge von Glutamat in Gehirnzellen zu messen, wird seit langem von Forschern gesucht. Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Trotz seiner Fülle und seines Einflusses auf viele wichtige Funktionen wissen wir viel weniger darüber als über andere Neurotransmitter wie Serotonin und Dopamin, weil es bisher schwierig war, Glutamat schnell genug zu messen.
Die neuen Erkenntnisse über Glutamat sind daher sehr bedeutsam und könnten dazu beitragen, unser Verständnis der zugrunde liegenden Pathologien neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen und Zustände zu verbessern. Die Beziehung zwischen Glutamat und diesen Erkrankungen sowie unser Gedächtnis, unser Appetit und mehr sind nur einige der Fragen, bei deren Beantwortung die neu entdeckte Technologie der Forscher helfen könnte.
"Als wir anfingen, sagten alle: 'Das wird niemals funktionieren'. Aber wir gaben nicht auf. Jetzt haben wir ein schönes Beispiel dafür, wie multidisziplinäre Grundlagenforschung zu großen Durchbrüchen und echtem Nutzen führen kann, “, sagt Ann-Sofie Cans, außerordentliche Professorin für Chemie an der Chalmers und Leiterin der Forschungsgruppe.
Der Schlüssel war, das Gegenteil von dem zu tun, was zuvor versucht worden war. Anstatt einen Biosensor aus dicken Schichten zu verwenden, verwendeten sie eine hauchdünne Schicht des Enzyms, das für die biologische Identifizierung benötigt wird. Die Forscher machten es so, dass das Enzym, das auf einer nanostrukturierten Sensoroberfläche platziert wurde, nur ein Molekül dick war. Dadurch wurde die Sensortechnologie tausendmal schneller als bisherige Versuche.
Die Technik war daher schnell genug, um die Freisetzung von Glutamat aus einem einzigen synaptischen Vesikel zu messen - dem kleinen Flüssigkeitsgefäß, das Neurotransmitter an die Synapse zwischen zwei Nervenzellen abgibt. Dies ist ein Vorgang, der in weniger als einer tausendstel Sekunde abläuft.
"Als wir sahen, dass die Verbesserung der Sensortechnologie zeitlich statt konzentrationsfördernd war, haben wir sie zum Laufen gebracht", sagt Ann-Sofie Cans.
Die Recherche wurde in zwei Schritten durchgeführt. In der ersten war der Durchbruch die Möglichkeit, Glutamat zu messen. Diese Studie wurde Anfang Frühjahr 2019 in der Fachzeitschrift ASC Chemical Neuroscience veröffentlicht. Im zweiten Teil, den die aktuelle Publikation aufgreift, hat Ann-Sofie Cans mit ihrer Forschungsgruppe weitere wichtige Anpassungen und bahnbrechende Entdeckungen gemacht.
"Sobald wir den Sensor gebaut hatten, konnten wir ihn weiter verfeinern. Jetzt haben wir mit Hilfe dieser Technologie auch eine neue Methode entwickelt, um diese kleinen Mengen an Glutamat zu quantifizieren", erklärt sie.
Unterwegs erlebte die Gruppe viele interessante Überraschungen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die Menge an Glutamat in einem synaptischen Vesikel viel größer ist als bisher angenommen. Es ist mengenmäßig vergleichbar mit Serotonin und Dopamin, ein Befund, der eine spannende Überraschung war.
"Unsere Studie verändert das aktuelle Verständnis von Glutamat. Zum Beispiel scheint es, dass der Transport und die Speicherung von Glutamat in synaptischen Vesikeln nicht so unterschiedlich sind, wie wir dachten, im Vergleich zu anderen Neurotransmittern wie Serotonin und Dopamin", sagt Ann -Sofie Dosen.
Die Forscher zeigten auch, dass Nervenzellen die Stärke ihrer chemischen Signale steuern, indem sie die Menge an Glutamat regulieren, die aus einzelnen synaptischen Vesikeln freigesetzt wird.
Die Tatsache, dass Forscher diesen Neurotransmitter jetzt messen und quantifizieren können, kann zu neuen Werkzeugen für pharmakologische Studien in vielen wichtigen Bereichen der Neurowissenschaften führen.
"Das Messniveau, das dieser ultraschnelle Glutamatsensor bietet, eröffnet unzählige Möglichkeiten, die Funktion von Glutamat bei Gesundheit und Krankheit wirklich zu verstehen. Unser Wissen über die Gehirnfunktion und -funktionsstörung ist durch die experimentellen Werkzeuge begrenzt wir haben, und dieses neue ultraschnelle Werkzeug wird es uns ermöglichen, die neuronale Kommunikation auf einer Ebene zu untersuchen, zu der wir vorher keinen Zugang hatten", sagt Karolina Patrycja Skibicka, außerordentliche Professorin für Neurowissenschaften und Physiologie an der Universität Göteborg.
"Die neue Erkenntnis, dass die auf Glutamat basierende Kommunikation durch die Menge an Glutamat reguliert wird, die aus synaptischen Vesikeln freigesetzt wird, wirft die Frage auf, was mit dieser Regulation bei Hirnerkrankungen passiert, von denen angenommen wird, dass sie mit Glutamat in Verbindung stehen, zum Beispiel Epilepsie."
Weitere Informationen zu Glutamat und Glutaminsäure:
Glutamat oder Glutaminsäure kommt in Proteinen in Lebensmitteln vor. Es kommt natürlicherweise in Fleisch, in fast allen Gemüsesorten sowie in Weizen und Soja vor. Es wird auch als Lebensmittelzusatzstoff zur Verbesserung des Geschmacks verwendet, beispielsweise in Form von MSG oder Mononatriumglutamat.
Glutamat ist eine Aminosäure und ein wichtiger Bestandteil unseres Körpers. Es ist auch ein Neurotransmitter, mit dem Nervenzellen kommunizieren, und bildet die Grundlage für einige der Grundfunktionen des Gehirns wie Kognition, Gedächtnis und Lernen. Es ist auch wichtig für das Immunsystem, die Funktion des Magen-Darm-Trakts und um das Eindringen von Mikroorganismen in den Körper zu verhindern.
Quelle: Swedish Food Agency und Chalmers University of Technology
