Die Revolution der Auflösung |
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10.10.2017 15:46 Uhr |
Von Annette Mende / Wo Wissenschaftler bis vor wenigen Jahren nur unscharfe Strukturen sahen, können sie heute unter dem Elektronenmikroskop Biomoleküle in atomgenauer Auflösung betrachten. Zu verdanken ist diese Revolution der Auflösung drei Forschern, die dafür jetzt mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden.
Den Nobelpreis für Chemie teilen sich in diesem Jahr der Schweizer Jacques Dubochet, Joachim Frank aus Deutschland und der Brite Richard Henderson »für die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie zur hochauflösenden Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösung«. Die Methode habe die Darstellung von Biomolekülen sowohl vereinfacht als auch verbessert und die Biochemie in eine neue Ära befördert, hieß es von der königlichen Schwedischen Akademie der Wissenschaften zur Begründung.
Was ist das Besondere an der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)? Sie umgeht mehrere grundlegende Probleme, die die Darstellung von Biomolekülen zuvor fast unmöglich machten. Anders als bei der normalen Lichtmikroskopie wird bei der Elektronenmikroskopie kein Lichtstrahl, sondern ein Elektronenstrahl durch die Probe geschickt. Dessen Wellenlänge ist sehr viel kürzer, weshalb elektronenmikroskopisch sehr viel kleinere Strukturen darstellbar sind als lichtmikroskopisch. Die hohe Energie, die dafür erforderlich war, beschädigte jedoch in den Anfangsjahren der Elektronenmikroskopie das biologische Material, das untersucht werden sollte. Zudem funktioniert Elektronenmikroskopie nur im Vakuum und darin werden Biomoleküle ohnehin zerstört, weil das sie umgebende Wasser verdampft.
Winzige Glaströpfchen
Um das zu vermeiden, werden bei der Kryo-EM winzige Tropfen sehr schnell extrem stark abgekühlt. Das Ganze geht so schnell, dass die Tropfen nicht einfrieren – dabei würden Eiskristalle entstehen, die die Probe unbrauchbar machen würden –, sondern zu einer Art Glas erstarren. Die Biomoleküle liegen in diesen verglasten Tropfen in ihrer natürlichen Umgebung und Konfiguration vor; teilweise befinden sie sich mitten in einer Aktion wie einer Katalyse oder einer Interaktion mit einem anderen Molekül.
Mittels Kryo-EM können heute unter anderem Membranproteine, die häufig Zielstrukturen für Arzneistoffe darstellen, atomgenau dargestellt werden. Neue Wirkstoffe lassen sich so passgenau designen. Ein weiteres Beispiel für eine praktische Anwendung ist die Erforschung des Zika-Virus: Als der Verdacht aufkam, dass dieser Erreger für die in Brasilien beobachteten embryonalen Entwicklungsschäden verantwortlich ist, erstellten Forscher zunächst per Kryo-EM ein hochauflösendes 3D-Bild des Virus, anhand dessen sie gezielt nach möglichen Angriffspunkten für Arzneistoffe suchten.
Von der »Klecksologie« zur Standardmethode
Dubochet, Frank und Henderson haben alle drei auf unterschiedliche Weise entscheidend zur Entwicklung der Kryo-EM beigetragen. Dubochet entwickelte die Präparationsmethode, bei der Wasser verglast wird, Frank einen mathematischen Algorithmus, anhand dessen ein Computer zufällig angeordnete Proteine vom Hintergrundrauschen auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen unterscheiden kann, Henderson zeigte, dass es möglich ist, mit der Kryo-EM Biomoleküle in atomgenauer Auflösung darzustellen. So konnte diese Methode sich von der »Klecksologie« (blobology), als die sie zunächst herablassend bezeichnet wurde, zu einer Standardmethode der modernen Biochemie entwickeln. /
