Atomare Ansicht der erstaunlichen molekularen Maschinen der Natur bei der Arbeit

Forscher der Abteilung für atomar gelöste Dynamik des MPSD am Center for Free-Electron Laser Science, am Centre for Ultrafast Imaging (alle in Hamburg), an der University of Toronto in Kanada und an der ETH in Zürich, Schweiz, haben eine neue Methode zur Beobachtung von Biomolekülen bei der Arbeit entwickelt.

Diese Methode vereinfacht das Experiment nicht nur, sondern beschleunigt es auch so sehr, dass nun viele Schnappschüsse in einer einzigen experimentellen Sitzung aufgenommen werden können. Diese können dann zu einer Zeitraffersequenz zusammengestellt werden, die die molekularen Grundlagen der Biologie zeigt.

Alles Leben ist dynamisch, ebenso wie seine molekularen Bausteine. Die Bewegungen und strukturellen Veränderungen von Biomolekülen sind grundlegend für ihre Funktion. Das Verständnis dieser dynamischen Bewegungen auf molekularer Ebene ist jedoch eine große Herausforderung. Eine Methode, um sie zu verstehen, ist die zeitaufgelöste Röntgenkristallographie, bei der die Reaktion eines biologischen Moleküls ausgelöst wird und dann Schnappschüsse gemacht werden, während es reagiert. Diese Experimente sind jedoch äußerst zeitaufwendig.

Das neue Hit-and-Return-Verfahren ist auf die Untersuchung biologisch relevanter Reaktionszeitskalen zugeschnitten, die in der Größenordnung von Millisekunden bis Sekunden oder gar Minuten liegen. Diese Zeitskalen sind für Biologen und Pharmaforscher von besonderem Interesse, da sie oft die für eine bestimmte biologische Funktion oder den Umsatz eines Medikaments relevanten strukturellen Veränderungen aufzeigen. Durch die Kombination der hochintensiven mikrofokussierten Röntgenstrahlen, die auf der Strahlführung P14 des Europäischen Molekularbiologischen Laboratoriums (EMBL) und der Strahlführung P11 bei DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) verfügbar sind, mit der Hit-and-Return-Methode konnte das Team ein wichtiges Enzym für den Abbau von künstlichen Schadstoffen in Aktion im Millisekundenbereich abfragen.

Der Schlüssel zu ihrem Erfolg war, dass die Hit-and-Return-Methode das gesamte Experiment viel schneller macht als bisherige Ansätze. Während ein einzelner struktureller Schnappschuss bisher erst nach mehrstündiger Datenerfassung möglich war, liefert das neue Hit-and-Return-Verfahren unabhängig von der Verzögerungszeit etwa einen Zeitpunkt pro Stunde. Das Verfahren funktioniert so gut, dass es nun möglich ist, viele Schnappschüsse nacheinander zu sammeln, so dass die Forscher eine Zeitraffersequenz der Strukturveränderungen während der vollständigen Reaktion eines Biomoleküls innerhalb eines einzigen 24-Stunden-Experiments aufnehmen können.

Diese neue Methode hat großes Potenzial für bestehende und kommende hochbrillante Synchrotronstrahlungsquellen. Da es viel weniger zeitaufwendig ist, wird es viel mehr Forschern die Möglichkeit geben, zeitaufgelöste kristallographische Studien durchzuführen. Gemeinsam mit dem EMBL und der Universität Hamburg wird mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) die Hit-and-Return-Methode bereits als Standard-Probenumgebung für die neue zeitaufgelöste makromolekulare Kristallographie-Endstation an der EMBL-Beamline P14 am PETRA III-Synchrotron bei DESY implementiert.

Das Team geht davon aus, dass durch den Einsatz solcher Spitzentechnologien viel mehr wichtige Erkenntnisse über biochemische Prozesse entstehen werden. Ein tieferes Verständnis dieser Prozesse wird wiederum dazu beitragen, einige der drängendsten Fragen zu unserer Gesundheit und der Umwelt zu beantworten.

Mehr Informationen:
Eike C. Schulz et al. Das Hit-and-Return-System ermöglicht eine effiziente zeitaufgelöste serielle Synchrotronkristallographie, Nature Methods (2018). DOI: 10.1038/s41592-018-0180-2

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