Strukturaufklärung

Neue Methode könnte Proteinforschung vereinfachen

Etwas ungeordnete Kristalle aus komplexen Biomolekülen wie dem hier abgebildeten Photosystem II erzeugen im Röntgenlicht ein kontinuierliches Streubild aus dem sich mehr Informationen gewinnen lassen als aus den sogenannten Bragg-Peaks eines stärker geordneten Kristalls (links). Bild: DESY, Eberhard Reimann

Ein Forscherteam hat eine neue Methode zur Aufklärung des Aufbaus von Biomolekülen entwickelt.

Herr Chapman, warum interessiert sich ein Physiker für Biomoleküle? 

Auch wir Physiker begeistern uns für diese molekularen Maschinen, die alles antreiben. Sie sind der Stoff, aus dem das Leben ist. Ihre langen Ketten aus Polymeren bilden faszinierende Muster. Ich möchte den Biologen vor allem besseres Handwerkszeug liefern, um die räumliche Struktur dieser Moleküle entschlüsseln zu können und damit die Mechanismen des Lebens besser zu verstehen. 

Was macht es so schwierig, Biomoleküle zu untersuchen - warum kann man sie nicht einfach unter ein Mikroskop legen? 

Um ein Molekül zu verstehen, muss man es sehr gut sehen können - wir wollen ja wissen, wie all die einzelnen Atome angeordnet sind, damit wir die molekulare Struktur verstehen. Das geht nicht mit einem normalen Lichtmikroskop, die Wellenlänge ist einfach zu lang, die Auflösung reicht nicht. Man braucht Licht sehr kurzer Wellenlänge - Röntgenstrahlen. Das Problem: Röntgenstrahlen sind sehr energiereich und können Elektronen aus den Atomen kicken. Dadurch gehen die Objekte kaputt. Man kann sich das so vorstellen: Wir haben eine geheime Botschaft auf einem Stück Papier, und wir wollen die Nachricht lesen. Dafür müssen wir das Licht anmachen. Leider ist die Botschaft sehr lichtempfindlich und geht dabei kaputt. 

Wie lässt sich die Botschaft aber trotzdem lesen? 

Wir machen es über einen Umweg, indem wir aus den Molekülen Kristalle züchten und sie mit Röntgenstrahlen beleuchten. Das Kristallgitter streut die Strahlung. Durch die regelmäßige Anordnung der Moleküle im Gitter entsteht ein charakteristisches Muster aus hellen Punkten, den Bragg-Peaks. Das sieht sehr hübsch aus. Weil wir aber auf atomarer Ebene keine Linse haben, um diese Muster zu sehen, müssen wir einen Computer benutzen. Er ermittelt aus der Position und Intensität der hellen Punkte im Röntgenstreubild die Struktur des Kristalls. So konnten bereits die Struktur zehntausender Proteine und andere Biomoleküle bestimmt werden. Das Problem dabei: Sie müssen zuvor erst kristallisiert werden. 

Warum ist das ein Problem?

Nicht jedes Biomolekül lässt sich so einfach als Kristall züchten. Wissenschaftler haben schon viel Mühe, Zeit und Tränen ins Kristalle züchten gesteckt. Mancher verbrachte mehr als zehn Jahre damit, um aus einem einzelnen Protein einen Kristall zu züchten. Und häufig entstehen dann nur kleine, schlecht geordnete Kristalle, die nicht viel Information über die Struktur des Moleküls preisgeben - das dachten Forscher zumindest bisher.

Könnte sich das nun mit Ihrer Entdeckung ändern?

Ja, denn wir haben herausgefunden, dass auch die unordentlichen Kristalle etwas aussondern, das die Struktur des Kristalles verrät. Es ist das schwache, kontinuierliche Streubild, das wir bisher gar nicht beachtet haben. Man kann sich das so vorstellen, als würden ganz viele Einzelbilder eines Moleküls übereinander liegen. Es gilt als störender Hintergrund. 

Aber Streubilder untersucht man doch schon lange?

Ja, das ist auch das Lustige daran. Weil es eigentlich so naheliegend ist. Wir nutzen die Streubilder um Einblicke in die Vibrationen und Bewegungen der Moleküle im Kristall zu gewinnen, für die Strukturanalyse haben wir es aber bisher nicht beachtet.

Ist das vergleichbar mit Entdeckung dass Junk-DNA genetische Information enthält? 

Ja, genau so in der Art ist es. Es war die ganze Zeit da, wir hatten es nur nie beachtet, weil es ein Muster unter anderen war.

Also ein Durchbruch? 

Ich hoffe es. Wir haben unsere Methode jetzt in einem Membranproteinkomplexes namens Photosystem II getestet, der Teil der Photosynthesemaschinerie in grünen Pflanzen ist. Und wir haben das Gefühl, dass noch mehr dahintersteckt. Unser Ziel ist es, noch besser aufgelöste Bilder vom Photosystem II und vielen anderen Makromolekülen zu bekommen. Es könnte die Proteinforschung ein gutes Stück voranbringen und beschleunigen. 

Wird das die Biomolekülforschung revolutionieren?

Zumindest wissen wir jetzt, dass wir genug Informationen in der Messung haben. Man muss die Ergebnisse nur durch einen einfachen Algorithmus jagen und der ermittelt die Struktur. Das ist der entscheidende Fortschritt, um die Dinge zu beschleunigen. Jetzt wollen wir herausfinden, wie breit die Methode einsetzbar ist. Dafür schauen wir uns auch andere Systeme an – wie die Membranproteine, die bei zahlreichen biologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen und auf die gut die Hälfte aller Medikamente abzielen. 

Was bedeutet das für Sie? 

Das ist ein großer Erfolg für mich und mein Team. Wir wollen jetzt diese Algorithmen weiterentwickeln und die Methode für Strukturbiologen etablieren. In der Wissenschaft war die Kristallografie in den vergangenen zehn Jahren so etwas wie eine Black Box - man packt einen Kristall rein und vielleicht bekommt man eine Struktur raus, aber vielleicht auch nicht. Ich hoffe, diese Methode beleuchtet auch das Wunder der Strukturanalyse wieder neu und öffnet den Blick auf die grundlegenden Mechanismen des Lebens.

Henry Chapman entdeckte gemeinsam mit seinem Team eine neue Methode, die räumlichen Strukturen von Proteinen und anderen Biomolekülen zu bestimmen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher aus der Abteilung Kohärente Röntgenbildgebung am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY jetzt im Fachmagazin „Nature“. Der 48-jährige Chapman ist Leiter der Abteilung und Physikprofessor an der Universität Hamburg. 

Originalveröffentlichung: Macromolecular diffractive imaging using imperfect crystals; Kartik Ayyer et al.  „Nature”, 2016; DOI: 10.1038/nature16949

11.02.2016 , Interview: Kristin Hüttmann
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