DESY-Beschleuniger PETRA III erzeugt Röntgenlicht, um Biomoleküle und Keime zu durchleuchten

aus der Forschung des Deutschen Elektronen-Synchrotons DESY

An einem der insgesamt 14 Messplätze an der Röntgenquelle PETRA III arbeiten Forscher daran, die molekularen Meschanismen bestimmter Kranheitserreger aufzuklären. Foto/Grafik: DESY/H. Mueller-Elsner.mehr lesen

Das Enzym "PriA" des Tuberkulosebakteriums besitzt ein einzigartige Eigenschaft: Es kann helfen, als Katalysator zwei verschiedene Aminosäuren zu bilden. Foto/Grafik: EMBL/F. List.mehr lesen

Physikalische Methoden zählen heute zu den Standardwerkzeugen von Biologen und Medizinern – insbesondere, wenn die Experten grundlegende Prozesse in Zellen oder Proteinen analysieren wollen. Eines der wichtigsten Verfahren ist die Strukturanalyse mit Röntgenstrahlung. Hierbei werden Proteine mit starkem Röntgenlicht bestrahlt, um deren Aufbau und Funktionsweise zu entschlüsseln. Unter anderem lassen sich dadurch jene molekularen Mechanismen enträtseln, die hinter der Entstehung von Krankheiten stecken – etwa der Tuberkulose, nach wie vor einer der weltweit gefährlichsten Infektionserkrankungen.

Die mit Abstand „hellste“ Röntgenquelle ist der Teilchenbeschleuniger. Er bringt Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit, um sie anschließend durch einen Spezialmagneten zu schicken. Dieser Magnet lenkt die schnellen Elektronen ab und zwingt sie, kurze, intensive Röntgenblitze auszusenden – der Experte spricht von Synchrotronstrahlung. Mit den Blitzen aus der Teilchenschleuder können Forscher unterschiedlichste Materialproben genauestens durchleuchten und dabei zum Teil sogar feststellen, wie die einzelnen Atome in der Probe positioniert sind.

Starke Röntgenquelle PETRA III

Eine der weltweit besten Röntgenquellen steht am Helmholtz-Forschungszentrum DESY in Hamburg: PETRA III ist ein aufwendig umgebauter Großbeschleuniger, der früher den Teilchenphysikern diente. Seit 2010 fungiert der 2,3 Kilometer große Ring als „Röntgenlupe“ für Forscher aus aller Welt. „Der Röntgenstrahl von PETRA III ist sehr fein, gut fokussierbar und extrem brillant“, sagt DESY-Physiker Dr. Hermann Franz. Drei der Messplätze an PETRA III werden vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) betrieben, das in Hamburg eine Forschungseinheit auf dem DESY-Campus unterhält.

Widerwillige Proteine

Die Untersuchungen an Proteinen unterliegen einer Einschränkung: Um sie mit Röntgenstrahlen analysieren zu können, müssen die Eiweißmoleküle zuvor kristallisiert werden. Das Probleme: Viele Proteine, insbesondere Membranproteine, lassen sich nur widerwillig in die Kristallform zwingen. Bei ihnen können die Forscher froh sein, wenn es gelingt, mikrometerkleine Kriställchen zu züchten. „Solche Proben lassen sich nur mit extrem feinen Röntgenstrahlen untersuchen“, betont Franz. „Strahlen, wie sie PETRA III liefert.“

Angriffspunkt für Medikamente

Bei ihren Versuchen haben die EMBL-Biologen unter anderem einen Krankheitskeim im Visier – das Tuberkulosebakterium. Da es immer neue Antibiotika-resistente Stämme bildet, sucht die Pharmabranche ständig nach neuen Strategien zur Medikamentenentwicklung. „Bei DESY konnten wir im Laufe der vergangenen Jahre die Strukturen von etwa 50 Proteinen dieses Bakteriums aufklären“, sagt EMBL-Wissenschaftler Dr. Matthias Wilmanns. „Einige davon könnten als mögliche Angriffspunkte für künftige Medikamente dienen, die gezielt den Erreger angreifen und zugleich andere, nützliche Bakterien schonen.“

Auf der Suche nach besseren Therapien

Dabei fand das Team von Wilmanns heraus, dass ein bestimmtes Enzym des Tuberkulose-Keims eine ungewöhnliche Eigenschaft besitzt: Es ermöglicht die Bildung von gleich zwei Aminosäuren, die für das Bakterium lebenswichtig sind. „Wir fanden Stoffe, die dieses Enzym gezielt blockieren können, aber die Enzyme anderer, nützlicher Bakterien nicht angreifen.“ Ein konkretes Medikament lässt sich aufgrund dieser Erkenntnisse zwar noch nicht entwickeln. Aber die EMBL-Arbeiten weisen den Weg zu einer neuen, erfolgversprechenden Strategie.

Neues Zentrum für die Forschung

Künftig wollen die Experten ihre Bemühungen intensivieren: In wenigen Jahren wird das Zentrum für Struktur- und Systembiologie (CSSB) seinen Betrieb auf dem DESY-Campus in Hamburg aufnehmen – eine große, interdisziplinäre Forschungseinrichtung, an der DESY und EMBL maßgeblich beteiligt sind. Biologen, Chemiker, Mediziner, Physiker und Ingenieure werden hier gemeinsam das Wechselspiel von Krankheitserregern mit ihren Wirten unter die Lupe nehmen. „Unter anderem wollen wir herausfinden, wie im Detail der Tuberkulose-Erreger seine Proteine in die menschliche Wirtszelle schleust“, sagt Wilmanns. „Das nämlich sind die Waffen, mit denen er sich in den menschlichen Stoffwechsel einmischt.“

Frank Grotelüschen