Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Freie-Elektronen-Laser enthüllt detaillierte Architektur von Proteinen

01.06.2012
Ultrakurze Röntgenblitze gestatten Einblicke in die Atomstruktur von Makromolekülen unter Verwendung winziger Proteinkristalle

Im Jahr, in dem sich Max von Laues Entdeckung der Röntgenbeugung zur Aufklärung der Atomstruktur von Molekülen zum 100. Mal jährt, hat ein internationales Forscherteam winzige Proteinkristalle mit Hilfe ultrakurzer Röntgenpulse aus dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser für harte Röntgenstrahlung analysiert, der „Linac Coherent Light Source“ des US-Energieministeriums in Stanford.


Schematische Darstellung des Messaufbaus am “Coherent X-ray Imaging” Strahlrohr der Linac Coherent Light Source. Millionen winziger Kristalle werden von oben in einem dünnen Flüssigkeitsstrahl in den Röntgenstrahl des Freie-Elektron-Lasers injiziert. Die Beugungsbilder, die entstehen, wenn ein Kriställchen von einem Freie-Elektron-Laser-Blitz getroffen wird, werden auf dem Detektor registriert (links). ©


Struktur des Proteins Lysozym. Die räumliche Anordnung der 129 Aminosäuren des Proteins ist schematisch in Form von Spiralen (Helices) und Pfeilen (Faltblättern) dargestellt. ©

Die Untersuchung zeigt das enorme Potenzial von Freie-Elektronen-Lasern, durch Belichtung winziger Kristalle mit ultrakurzen Röntgenpulsen hochdetaillierte Strukturinformation von Makromolekülen zu erhalten – und das, obwohl die Kristalle durch die gigantische Intensität der Laser zerstört werden. In der aktuellen Untersuchung enthüllt die Strukturanalyse Details mit einer räumlichen Auflösung von 0,2 Millionstel Millimetern.

Das Team, dem Forscher des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg und der Max-Planck-Advanced Study Group in Hamburg angehören, konnte belegen, dass die neuen Daten mit den Daten aus konventionellen Röntgenquellen für bekannte große Kristalle übereinstimmen. Freie-Elektronen-Laser sind also ein wichtiges neues Werkzeug für strukturbiologische Untersuchungen großer makromolekularer Komplexe und Membranproteine, von denen viele für die Entwicklung von Arzneimitteln bedeutsam sind.

Freie-Elektronen-Röntgenlaser sind extrem leistungsstarke neuartige Röntgenquellen, die ultrakurze Lichtblitze enorm hoher Intensität erzeugen. Die Intensität eines solchen Röntgenpulses ist mehr als eine Milliarde Mal höher als die der stärksten konventionellen Röntgenquellen, und das bei einer tausendfach kürzeren Pulsdauer von nur einigen Billiardstel Sekunden (Femtosekunden). Diese Eigenschaften bieten Forschern völlig neue Möglichkeiten zur Erforschung der Nanowelt, einschließlich der Struktur biologischer Materialien.

Das Wissen über die dreidimensionale räumliche Architektur von Molekülen beruht größtenteils auf der Röntgenkristallografie. Dabei wird das Signal des an den Molekülen gestreuten Röntgenlichts verstärkt, indem diese in bis zu einigen Zehntel Millimeter großen Kristallen angeordnet werden. So große Kristalle sind jedoch von Biomolekülen aufgrund ihrer weitverbreiteten Flexibilität und Instabilität meistens nur sehr schwer herzustellen, Dazu kommt, dass sich Biomoleküle oft nur in sehr geringen Mengen anreichern lassen. Freie-Elektronen-Laser können dagegen auch Daten von winzigen Kristallen liefern, die ihre strukturellen Geheimnisse mit herkömmlichen Verfahren auf Grund der durch die Strahlung verursachten Schädigung nicht preisgeben können. Diese winzigen Kristalle werden zwar auch durch die enorm starken Lichtblitze der Freie-Elektronen-Laser vollständig zerstört, die ultrakurzen Pulse können jedoch die Kristalle durchlaufen und ein auswertbares Beugungssignal erzeugen, bevor die ersten Schäden auftreten.

Im Gegensatz zur konventionellen Kristallografie, bei der ein einziger großer Kristall im Strahl rotiert wird, werden bei diesem Verfahren Kristalle mit Hilfe eines Flüssigkeitsstrahls in den Freie-Elektronen-Laserstrahl injiziert, welche nacheinander der Strahlung ausgesetzt werden. Dieses Konzept der seriellen Femtosekunden-Kristallografie wurde zuvor vom gleichen Forscherteam an der „Linac Coherent Light Source“ in Stanford mit dem von der Max Planck Advanced Study Group entwickelten „CAMP“-Instrument demonstriert. Damals gab es jedoch nur relativ langwellige Röntgenstrahlen, was die Detailgenauigkeit der Ergebnisse begrenzte.

Erst seit Kurzem ist an der „Linac Coherent Light Source“ dank dem neuen „Coherent X-ray Imaging“ Instrument der Einsatz kurzwelliger Röntgenstrahlen möglich, so dass jetzt auch Details im atomaren Aufbau der Moleküle messbar sind. Als Test für das Verfahren wurde mit dem kleinen Protein Lysozym ein bekanntes Modellsystem untersucht, dessen Raumstruktur erstmals bereits 1967 aufgeklärt wurde.

Die Forscher setzten mehr als 10000 Beugungsbilder von nur einem tausendstel Millimeter messenden Kristallen zu einem Datensatz zusammen. Er stimmte sehr gut mit Referenz Daten überein, die von hundertfach größeren Lysozym-Kristallen mit konventionellen Methoden gesammelt wurden. Zudem wurden keine signifikanten Strahlungsschäden entdeckt. Dieses Experiment zeigt, dass der Freie-Elektronen-Laser ein wichtiges neues Hilfsmittel für die biologische Forschung an großen makromolekularen Komplexen ist. Er eröffnet völlig neue Perspektiven für die strukturelle Biologie“, sagt die Leiterin des Max-Planck-Teams Ilme Schlichting. Da kleine Kristalle typischerweise einfacher herzustellen sind als größere, ist dies von weitreichender Bedeutung für alle Untersuchungen von schwer zu kristallisierenden Molekülen - dazu gehören etwa 60 Prozent aller Proteine. Viele davon sind wichtige Angriffspunkte für neue Medikamente.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Ilme Schlichting
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
Telefon: +49 6221 486-500
Fax: +49 6221 486-585
Email: ilme.schlichting@­mpimf-heidelberg.mpg.de
Lukas Lomb
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
Telefon: +49 6221 486-519
Email: lukas.lomb@­mpimf-heidelberg.mpg.de

Originalveröffentlichung
Boutet et al.
High-Resolution Protein Structure Determination by Serial Femtosecond Crystallography

Science, 1. Juni 2012

Prof. Dr. Ilme Schlichting | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/5825076/freie-elektronen-laser

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur
17.08.2017 | Deutsches Krebsforschungszentrum

nachricht Magenkrebs: Auch Bakterien können Auslöser sein
17.08.2017 | Charité – Universitätsmedizin Berlin

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten