{"id":32450,"date":"2016-02-19T07:41:34","date_gmt":"2016-02-19T06:41:34","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fphysik-astronomie%2Fneue-methode-zeigt-biomolekuele-kristallklar.html"},"modified":"2016-02-12T16:16:39","modified_gmt":"2016-02-12T15:16:39","slug":"neue-methode-zeigt-biomolekuele-kristallklar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/neue-methode-zeigt-biomolekuele-kristallklar\/","title":{"rendered":"Neue Methode zeigt Biomolek\u00fcle kristallklar"},"content":{"rendered":"

Ein Durchbruch in der Kristallographie erm\u00f6glicht Forschern den Zugang zu den Baupl\u00e4nen von tausenden medizinisch und biologisch bedeutenden Biomolek\u00fclen. Die neue Methode, die von einem Team unter Leitung von DESY-Wissenschaftler Professor Henry Chapman vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science CFEL entwickelt wurde, er\u00f6ffnet einen vergleichsweise einfachen Weg, die r\u00e4umlichen Strukturen von Proteinen und anderen Biomolek\u00fclen zu bestimmen, die \u00fcber bisherige Verfahren in vielen F\u00e4llen nicht zug\u00e4nglich waren. \u201eUnsere Entdeckung erlaubt uns, atomare Details von gro\u00dfen Proteinkomplexen genau abzubilden\u201c, erl\u00e4utert Chapman, der auch Professor an der Universit\u00e4t Hamburg und Mitglied des Hamburg Centre for Ultrafast Imaging CUI ist. Sein Team stellt die grundlegende Entdeckung in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals \u201eNature\u201c vor.<\/strong><\/p>\n

\"Etwas
Etwas ungeordnete Kristalle aus komplexen Biomolek\u00fclen wie dem hier abgebildeten Photosystem II erzeugen im R\u00f6ntgenlicht ein kontinuierliches Streubild (rechts, die Unordnung ist stark \u00fcberh\u00f6ht dargestellt) aus dem sich mehr Informationen gewinnen lassen als aus den sogenannten Bragg-Peaks eines st\u00e4rker geordneten Kristalls (links). Bild: DESY, Eberhard Reimann<\/figcaption><\/figure>\n

Die r\u00e4umliche Struktur eines Biomolek\u00fcls liefert wichtige Informationen \u00fcber seine Funktionsweise und kann damit beispielsweise als Basis zur Entwicklung eines Medikaments dienen. Um diese Struktur zu entziffern, nutzen Forscher vor allem die Technik der Kristallographie. Viele der komplexen Biomolek\u00fcle lie\u00dfen sich mit bisherigen Verfahren jedoch praktisch nicht analysieren. Die neue Methode kann mit weniger geordneten Kristallen arbeiten und kommt ohne die sonst ben\u00f6tigten Zusatzinformationen und chemisches Vorwissen aus. \u201eDiese Entdeckung besitzt das Potenzial, eine echte Revolution in der Kristallographie komplexer Materie zu werden\u201c, betont der Vorsitzende des DESY-Direktoriums, Professor Helmut Dosch.<\/p>\n

Mit Hilfe der Kristallographie l\u00e4sst sich die r\u00e4umliche Struktur eines Kristalls sowie seiner Bestandteile bestimmen, indem der Kristall mit R\u00f6ntgenstrahlen beleuchtet wird. Die R\u00f6ntgenstrahlen werden vom Kristall gestreut und erzeugen dadurch ein charakteristisches Muster aus hellen Punkten, sogenannten Bragg-Peaks (benannt nach den britischen Kristallographie-Pionieren William Henry und William Lawrence Bragg). Die Position und Intensit\u00e4t dieser hellen Punkte im R\u00f6ntgenstreubild liefern Informationen \u00fcber die Struktur des Kristalls und seiner Bestandteile. Auf diese Weise haben Forscher bereits die atomare Struktur von zehntausenden Proteinen und anderen Biomolek\u00fclen bestimmt, die zuvor allerdings aufw\u00e4ndig kristallisiert werden mussten.<\/p>\n

\"Die
Die Analyse der Bragg-Peaks alleine (oben) liefert deutlich weniger Details des untersuchten Molek\u00fcls als die zus\u00e4tzliche Analyse des kontinuierlichen Streubilds (unten). Die Lupen zeigen Originaldaten aus der Untersuchung. Bild: DESY, Eberhard Reimann<\/figcaption><\/figure>\n

Bei der Kristallographie von komplexen Biomolek\u00fclen gibt es jedoch H\u00fcrden, durch die eine Strukturbestimmung extrem schwierig oder sogar unm\u00f6glich werden kann. Zum einen sind qualitativ hochwertige, besonders regelm\u00e4\u00dfige Kristalle n\u00f6tig. Je st\u00e4rker eine Probe vom perfekten Kristall abweicht, desto weniger Bragg-Peaks sind sichtbar. Dadurch l\u00e4sst sich die Struktur oft gar nicht mehr bestimmen oder nur ein verschwommenes Abbild des Molek\u00fcls mit niedriger Aufl\u00f6sung erzeugen. Die meisten Biomolek\u00fcle bilden nat\u00fcrlicherweise keine Kristalle, und es erfordert oft gro\u00dfes Geschick sowie etwas Gl\u00fcck, hochwertige Kristalle aus ihnen zu z\u00fcchten. Das gilt besonders f\u00fcr die Klasse der Membranproteine, die bei zahlreichen biologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen und auf die rund die H\u00e4lfte aller Medikamente zielen.<\/p>\n

\u201eExtrem-Sudoku in drei Dimensionen\u201c<\/h3>\n

Doch selbst mit einem perfekten Kristall l\u00e4sst sich eine v\u00f6llig unbekannte Proteinstruktur nicht allein aus den Bragg-Peaks bestimmen. \u201eDiese Aufgabe ist wie Extrem-Sudoku in drei Dimensionen mit Millionen K\u00e4stchen aber nur der H\u00e4lfte der n\u00f6tigen Tipps\u201c, erl\u00e4utert Chapman. In der Kristallographie wird dieses komplizierte Puzzle als Phasenproblem bezeichnet. Der Begriff beschreibt die Tatsache, dass die Phasen der gestreuten Lichtwellen bekannt sein m\u00fcssen, um die Struktur des Molek\u00fcls zu berechnen. Die Phase einer Lichtwelle gibt an, wie sehr ihr Wellenberg dem einer anderen Welle vorauseilt oder hinterherl\u00e4uft. Die Phasen der einzelnen Wellen lassen sich jedoch nicht messen. Um das R\u00e4tsel zu knacken, sind daher weitere Hinweise n\u00f6tig. Diese lassen sich unter Umst\u00e4nden aus der bereits bekannten Struktur eines chemisch eng verwandten Molek\u00fcls gewinnen oder aus dem Vergleich mit Streubildern von Kristallen chemisch leicht ver\u00e4nderter Molek\u00fcle. Auch diese H\u00fcrde erschwert insbesondere bei gro\u00dfen Molek\u00fclkomplexen wie etwa Membranproteinen die Strukturbestimmung.<\/p>\n

Chapman entdeckte, dass das Phasenproblem und das Problem der nicht perfekten Kristalle miteinander verbunden sind. Der Schl\u00fcssel liegt in einem schwachen, kontinuierlichen Streubild, das bei \u201eunordentlichen\u201c Kristallen entsteht. Dieses kontinuierliche Streubild gilt in der Regel als st\u00f6render \u201eHintergrund\u201c. Daraus lassen sich zwar Einblicke in die Vibrationen und andere Dynamiken der Molek\u00fcle gewinnen, f\u00fcr die Strukturanalyse wird es jedoch normalerweise nicht ber\u00fccksichtigt. Doch wenn die Unordnung im Kristall einzig daher r\u00fchrt, dass die einzelnen Molek\u00fcle leicht von ihrer Idealposition im Kristall verschoben sind, bekommt der vermeintlich st\u00f6rende \u201eHintergrund\u201c einen sehr viel komplexeren Charakter: Er enth\u00e4lt das komplette kontinuierliche Streubild der Einzelmolek\u00fcle im Kristall.<\/p>\n

\u201eW\u00fcrde man ein einzelnes Molek\u00fcl mit R\u00f6ntgenstrahlen beleuchten, w\u00fcrde es ein kontinuierliches Streubild ohne irgendeinen Bragg-Peak erzeugen\u201c, erl\u00e4utert Erstautor Dr. Kartik Ayyer aus Chapmans CFEL-Gruppe. \u201eDas Muster w\u00e4re allerdings extrem schwach und sehr schwer zu messen. Aber der ‘Hintergrund’ in unserer Analyse ist wie eine Aufsummierung zahlreicher Einzelaufnahmen individueller Molek\u00fcle. Wir benutzen den Kristall quasi nur, um eine Vielzahl gleich ausgerichteter Molek\u00fcle gemeinsam in den Strahl zu bef\u00f6rdern.\u201c Das kontinuierliche Streubild liefert ausreichend Informationen, um das Phasenproblem direkt zu l\u00f6sen, ohne dass irgendetwas \u00fcber das untersuchte Molek\u00fcl bekannt sein muss. In Analogie zum Sudoku-Puzzle ergeben die Messungen nun genug Hinweise, um stets die richtige Antwort zu finden.<\/p>\n

Die besten Kristalle sind nicht perfekte Kristalle<\/h3>\n

Dieses Konzept f\u00fchrt zu einem Paradigmenwechsel in der Kristallographie: Die am besten geordneten Kristalle sind bei dem neuen Verfahren nicht mehr die besten f\u00fcr die Analyse. Am besten eignen sich leicht ungeordnete Kristalle. \u201eErstmals haben wir Zugang zu Streubildern einzelner Molek\u00fcle \u2013 das gab es zuvor in der Kristallographie noch nie. Dabei wissen wir seit langem, wie sich das Streubild einzelner Molek\u00fcle analysieren l\u00e4sst, wenn man es denn messen kann.\u201c Die Technik der sogenannten koh\u00e4renten R\u00f6ntgenbeugung mit Hilfe von Freie-Elektronen-Lasern hat hierzu sehr leistungsf\u00e4hige Algorithmen geliefert. \u201eMan muss nicht einmal die Chemie kennen\u201c, betont Chapman. \u201eAber man kann sie direkt aus den dreidimensionalen Bildern erkennen, die man bekommt.\u201c<\/p>\n

Um ihre neue Technik experimentell zu testen, tat sich Chapmans Gruppe mit dem Team von Professor Petra Fromme und weiteren Forschern von der Arizona State University, der Universit\u00e4t von Wisconsin, der griechischen Stiftung f\u00fcr Forschung und Technology – Hellas FORTH sowie dem US-Beschleunigerzentrum SLAC zusammen. Die Wissenschaftler nutzten den weltst\u00e4rksten R\u00f6ntgenlaser LCLS am SLAC, um \u201eunordentliche\u201c Kristalle eines Membranproteinkomplexes namens Photosystem II zu untersuchen, der Teil der Photosynthesemaschinerie in gr\u00fcnen Pflanzen ist.<\/p>\n

Die Analyse des kontinuierlichen Streubilds verbesserte in dem Versuch die Detailgenauigkeit gegen\u00fcber der reinen Auswertung der Bragg-Peaks unmittelbar um etwa ein Viertel von 4,5 \u00c5ngstr\u00f6m auf 3,5 \u00c5ngstr\u00f6m. Ein \u00c5ngstr\u00f6m ist ein Zehntel Nanometer (milliardstel Meter) und entspricht in etwa dem Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Das resultierende Bild zeigt dadurch Details des Molek\u00fcls, die sonst nur durch die rechnerische Anpassung an ein chemisches Modell sichtbar werden. \u201eDas ist eine ziemlich gro\u00dfer Schritt bei der Untersuchung von Biomolek\u00fclen\u201c, betont Ko-Autor Dr. Anton Barty von DESY. \u201eUnd wir k\u00f6nnen die r\u00e4umliche Aufl\u00f6sung weiter verbessern, wenn wir mehr Bilder aufnehmen.\u201c Das Team hatte f\u00fcr diese ersten Versuche nur ein paar Stunden Messzeit zur Verf\u00fcgung, w\u00e4hrend eine normale Messkampagne oft einige Tage dauert.<\/p>\n

Die Wissenschaftler hoffen nun, noch besser aufgel\u00f6ste Bilder vom Photosystem II und vielen anderen Makromolek\u00fclen mit ihrer neuen Technik gewinnen zu k\u00f6nnen. \u201eDiese Form der kontinuierlichen R\u00f6ntgenbeugung hat man tats\u00e4chlich schon seit langem bei vielen schlecht streuenden Kristallen beobachtet\u201c, erl\u00e4utert Chapman. \u201eMan hatte allerdings noch nicht verstanden, dass sich daraus Strukturinformationen gewinnen lassen, daher wurde sie bei der Analyse gew\u00f6hnlich unterdr\u00fcckt. Wir werden jetzt viel damit zu tun haben zu pr\u00fcfen, ob wir aus alten, urspr\u00fcnglich verworfenen Daten weitere Molek\u00fclstrukturen gewinnen k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n

Originalarbeit:
\nMacromolecular diffractive imaging using imperfect crystals; Kartik Ayyer et al.; Nature (2016); DOI: 10.1038\/nature16949<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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