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Forschung & Entwicklung Bildfolgen dynamischer Prozesse im Nanometerbereich

Der weltweit größte Röntgenlaser XFEL ermöglicht die Aufklärung dreidimensionaler Proteinstrukturen für die Infektionsforschung.

Eine Forschergruppe um Prof. Lars Redecke vom Institut für Biochemie der Universität zu Lübeck und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg zählt zu den ersten Nutzern des weltweit leistungsstärksten Röntgenlasers XFEL. Der Europäische Freie-Elektronen-Laser für Röntgenlicht, an dem elf Länder beteiligt sind, wurde am 1. September 2017 in Hamburg und dem schleswig-holsteinischen Schenefeld für die wissenschaftlichen Experimente in Betrieb genommen.

Für die Lübecker Forscher bedeuten die Möglichkeiten des neuen Röntgenlasers einen technischen Quantensprung. In ihren Projekten klären sie die dreidimensionale Struktur von Proteinen auf, um die ablaufenden Stoffwechselvorgänge zu verstehen. Damit lassen sich Hemmstoffe entwickeln, die die Funktion eines Proteins blockieren. Dies ist bei vielen Erkrankungen bzw. auch bei Infektionen notwendig, wenn Proteine fehlerhaft arbeiten oder zum „Eindringling“ gehören.

Die Strukturen der Proteine liegen im Nanometerbereich. Da sie nicht, etwa durch Mikroskope, direkt sichtbar gemacht werden können, nutzt man die indirekte Methode der Röntgenbeugung. Die Proteine werden zunächst kristallisiert, um einen Verstärkungseffekt des Signals zu erhalten, und dann mit hochenergetischer Röntgenstrahlung bestrahlt. Die unterschiedlichen Abbildungen, die durch Bestrahlung aus verschiedenen Orientierungen gewonnen werden, lassen sich zu einer dreidimensionalen Abbildung der Proteinstruktur vereinigen.

Die neuen Röntgenlaser, wie es sie seit 2009 in Stanford/USA und nun am DESY gibt, können Röntgenstrahlung erzeugen, die etwa eine Milliarde Mal intensiver ist als die Strahlung von Synchrotronquellen. Dadurch können zum einen wesentlich kleinere, einfacher zu erzeugende Proteinkristalle zur Strukturaufklärung genutzt werden als die bisher benötigten großen Kristalle. Noch entscheidender aber ist, dass die gepulste Laserstrahlung es ermöglicht, nicht nur Einzelbilder, sondern ganze Bildfolgen dynamischer Prozesse (Filme) aufzunehmen. „Da der neue Europäische Röntgenlaser eine noch höhere Intensität und Qualität der Strahlung als der Laser in den USA liefert, entstehen völlig neue technische Möglichkeiten um die Prozesse in unserem Körper besser zu verstehen“, sagt Prof. Redecke.

Die für die Strukturaufklärung mit Röntgenstrahlung benötigten Kristalle werden im Reagenzglas hergestellt – oft ein zeit- und materialaufwendiges Verfahren. Die Lübecker Gruppe entdeckte zusammen mit Partnern aus Hamburg und Tübingen, dass lebende Zellen ebenfalls in der Lage sind, Proteinkristalle herzustellen. Bisherige Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese „natürliche“ Kristallisation auf viele verschiedene Proteine anwendbar sein kann. Die in der lebenden Zelle entstehenden Kristalle seien sehr klein - zu klein, um mit der bisher gut etablierten Standard-Methode unter Verwendung der ‚normalen‘ Röntgenstrahlung aus Synchrotronquellen untersucht zu werden, erläutert Prof. Redecke.

Erst der Röntgenlaser ermöglicht es, Beugungsdaten dieser sogenannten „in cellulo-Kristalle“ aufzunehmen und die Struktur der zugehörigen Proteine zu lösen. Die Wissenschaftler arbeiten jetzt daran, diese Methode zu einem alternativen Ansatz zu entwickeln, um Proteinkristalle für die Strukturuntersuchung zu erhalten. Dabei hoffen sie, die Kristalle auch direkt in der lebenden Zelle untersuchen zu können. Die beschriebenen methodisch-technischen Entwicklungen können auch die Chancen für eine schnelle Wirkstoffentwicklung bei neu auftretenden Erregern künftig deutlich verbessern und somit der Infektionsforschung zu Gute kommen.

www.uni-luebeck.de

www.xfel.eu

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