Eiskalte Sicht auf das Leben gewinnt den Chemie-Nobelpreis: Die Kryo-Elektronenmikroskopie

Eiskalte Sicht auf das Leben gewinnt den Chemie-Nobelpreis: Die Kryo-Elektronenmikroskopie
Die Gewinner des Nobelpreises 2017 in Chemie: Joachim Frank, Richard Henderson und Jacques Dubochet.
Eine neue bildgebende Technik, die winzige biologische Objekte wie Proteine und Viren einfriert, ermöglicht Wissenschaftlern einen Einblick in den Aufbau von Molekülen auf atomarer Ebene. Selbst kleinste Strukturen können nun entschlüsselt werden. Ihre Entwickler sind die stolzen Gewinner des Nobelpreises 2017 für Chemie.

Die Auszeichnung geht an drei Pioniere einer Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie: Richard Henderson vom Medical Research Council Laboratory for Molecular Biology, Jacques Dubochet von der Universität Lausanne in der Schweiz und Joachim Frank von der Columbia University.

Aminosäuren, Proteine und die DNA waren über viele Jahre das große Rätsel der Biochemie. Wie sich diese Komplexe fortbewegen und wie sie miteinander interagieren, blieb lange Zeit weitgehend unerforscht.

Durch das Bildmaterial, das die sogenannte Kryo-Elektronenmikroskopie liefert, erhält man heute nicht nur einen Einblick in das Rückgrat eines Proteins. Auch die Aminosäurebausteine sind klar erkennbar. Diese Details sind für die Ausarbeitung von Chemikalien und für die Erforschung von Wirkstoffen von entscheidender Bedeutung.

Fast 90 Jahre Elektronenmikroskopie

Schon im Jahre 1931 existierten Prototypen von Elektronenmikroskopen. Aber die Biochemiker hatten mit erheblichen Einschränkungen zu kämpfen. Denn die zu untersuchenden Substanzen befanden sich in einem Vakuum, das biologische Moleküle austrocknet und molekulare Strukturen verzieht. Man bestrahlte danach die Proben. Besonders empfindliche Biomoleküle denaturierten und verloren so ihre kennzeichnenden Eigenschaften.

Anfang der 1950er Jahre ermöglichte die Röntgenkristallographie den Wissenschaftlern, statische Bilder von Proteinen zu erzeugen. Aber dafür mussten die Proteine zuerst aufgereinigt werden, und zwar in großen Mengen. Bei der Kristallisation versuchte man, die Biomoleküle in eine regelmäßige kristalline Ordnung zu drängen. Die Methode gestaltete sich aber als unmöglich für viele große Proteine und Multi-Protein-Komplexe.

Bis dahin war es auch nicht möglich Proteine, die in einer Zellmembran eingebettet waren, zu kristallisieren. So platzierte Richard Henderson eine bakterielle Zellmembran in ein Elektronenmikroskop und hielt sie mit einer Glucoselösung feucht. Er senkte dann die Energiemenge im Strahl und schuf ein kontrastreiches Bild der Proteine. Da die Proteine in der Zellmembran besonders geordnet sind, konnte man damals vereinzelt die Proteinstrukturen sogar sehr gut erkennen.

Alternativer Nobelpreis in Stockholm verliehen

Die weite Welt der membrangebundenen Proteine und Proteinkomplexe, die nicht kristallisiert werden können, ist jetzt in Reichweite. In ein paar Jahren – vielleicht schon in fünf Jahren – könnten wir die meisten Strukturen kennen, zumindest bei Menschen und pathogenen Bakterien", so Henderson.

Auf atomarer Ebene konnten die Strukturen aber noch nicht erschlossen werden. Dafür war die Auflösung des Bildes zu gering. Und die Zuckerlösung gilt nur für einige Moleküle als ein geeignetes Lösungsmittel.

Eiskalter Durchbruch 

Jacques Dubochet gelang es, eine Methode zu entwickeln, die auch dieses Problem beseitigt. Bisher trockneten die Moleküle wässriger Lösung im Vakuum meistens aus. Dubochet ließ die Proben mit flüssigem Stickstoff rapide einfrieren. So bleiben nämlich nicht nur alle Strukturen erhalten. Wichtiger ist, dass das Wasser beim Erstarren keine Eiskristalle mehr bildet. Diese würden die Elektronenstrahlen stören und brechen. Die wässrige Lösung verglast aber durch die schnelle Abkühlung und ermöglicht dadurch, das darin eingeschlossene Biomolekül abzubilden.

Schließlich entwickelte Joachim Frank ein bahnbrechendes Computerprogramm. Die Software berechnet wiederkehrende Strukturen in den Molekülen und kann diese miteinander kombinieren. Die Bilder, die mit dem Elektronenmikroskop erstellt wurden, kann die Software zu hochauflösenden 3D-Bildern konvertieren.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie entschlüsselt heute die molekularen Strukturen von immer größeren Komplexen. Auch das Ribosom – die sogenannte Proteinfabrik und wichtiger Bestandteil von Zellen – kann abgebildet werden.

Das National Institutes of Health in den USA und andere biomedizinische Finanzierungsagenturen investieren über zehn Millionen Dollar, um neue Kryo-Elektronenmikroskopie-Zentren einzurichten. Sie wollen den Zugang zu den Maschinen in Zukunft erweitern.

Für den Augenblick bleibt die Röntgenkristallographie der Goldstandard für bildgebende Proteine, die kristallisiert werden können. Aber wenn der Nobelpreis dieser Woche ein Zeichen ist, kann man weltweit eine Nachrüstung der biochemischen Labore erwarten.