Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Röntgenlaser ermöglicht Biochemikern das „Filmen“ dynamischer Prozesse im Nanometer-Bereich

31.08.2017

Technischer Quantensprung mit dem weltweit größten Röntgenlaser XFEL – Lübecker Biochemiker sind unter den ersten Nutzern - Aufklärung der dreidimensionalen Proteinstruktur für die Infektionsforschung

Die Forschergruppe um Prof. Dr. 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.


Prof. Dr. Lars Redecke

(Foto: Uni Lübeck)

Der Europäische Freie-Elektronen-Laser für Röntgenlicht, an dem elf Länder beteiligt sind, wird 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 (Eiweiß-Molekülen) 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 Nanometer-Bereich (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). 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 Strahlung wird durch die Atome des Proteins abgelenkt und kann als spezifisches Muster auf einem Detektor sichtbar gemacht werden. Die unterschiedlichen Abbildungen, die durch Bestrahlung aus verschiedenen Orientierungen gewonnen werden, lassen sich zu einer dreidimensionalen Abbildung der Proteinstruktur vereinigen. Diese Methode erfordert einen hohen Rechenaufwand, ist aber seit den 1980-er Jahren gut etabliert.

Die Strahlung wurde bisher in sogenannten Synchrotronquellen gewonnen. Das sind Teilchenbeschleuniger wie das Deutsche Elektronen-Synchrotron in Hamburg, die die auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Teilchen wieder abbremsen, so dass Strahlung entsteht.

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. Dadurch können zum einen wesentlich kleinere Proteinkristalle zur Strukturaufklärung genutzt werden, die einfacher zu erzeugen sind als die bisher benötigten großen Kristalle.

Noch entscheidender aber ist, dass die gepulste Laserstrahlung es ermöglicht, nicht nur Einzelbilder (Fotos), 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. Lars Redecke. „Das ‚Filmen‘ der dynamischen Funktionen von Proteinen war lange Zeit ein Traum der Wissenschaftler, der nun mit dem neuen Röntgenlaser in Erfüllung gehen kann.“

Es ist eine besondere wissenschaftliche Anerkennung für die Lübecker Forscher, trotz in-zwischen bestehender langer Wartelisten gleich zu den ersten Nutzern des neuen Röntgenlasers zu gehören. Die Arbeitsgruppe von Prof. Redecke, damals noch eine gemein-same Nachwuchsgruppe der Universitäten Hamburg und Lübeck, war bereits beim Start des Röntgenlasers in Stanford 2010 beteiligt. Sie lieferte dort erste Proben von Protein-kristallen zur Strukturuntersuchung, die im Rahmen eines großen internationalen Forschungsverbundes untersucht wurden.

Seitdem hat die Gruppe vor allem bei Methoden zur Herstellung von geeigneten Proteinkristall-Proben entscheidende Erfahrung gewonnen. 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, zum Beispiel aus Insekten, ebenfalls in der Lage sind, Proteinkristalle herzustellen.

Ihre bisherigen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese „natürliche“ Kristallisation auf viele verschiedene Proteine anwendbar sein kann. „Allerdings gibt es ein Problem“, erläutert Prof. Redecke: „Die in der lebenden Zelle entstehenden Kristalle sind sehr klein - zu klein, um mit der bisher gut etablierten Standard-Methode unter Verwendung der ‚normalen‘ Röntgenstrahlung aus Synchrotronquellen untersucht zu werden.“

Erst der Röntgenlaser ermöglicht es, Beugungsdaten dieser sogenannten „in cellulo-Kristalle“ aufzunehmen und die Struktur der zugehörigen Proteine zu lösen. Die Lübecker Gruppe arbeitet jetzt daran, diese Methode zu einem alternativen Ansatz zu entwickeln, um Proteinkristalle für die Strukturuntersuchung zu erhalten. Dabei hoffen die Wissenschaftler, 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“, sagt Prof. Redecke.

Entsprechende hoch entwickelte Forschung setzt eine internationale und fächerübergreifende Zusammenarbeit voraus. Die erforderlichen Experimente sind nur durchführbar, wenn Ingenieure, Physiker, Chemiker und Biochemiker eng kooperieren. „Die benötigten Kompetenzen können nicht in einer einzelnen Gruppe vorhanden sein“, ist Prof. Redecke überzeugt. „Im Gegenteil, nur eine effektive Kombination der weltweiten Spitzenforschung garantiert die bestmöglichen Erfolge mit der neuen Technik.“ Der Europäische XFEL, gemeinschaftlich finanziert und gemeinsam genutzt, werde die internationalen Forschungsbeziehungen weiter verbessern und auch für die Universität zu Lübeck zu neuen internationalen Kooperationen führen.

Der European XFEL ist eine 3,4 Kilometer lange Anlage, mit der extrem energiereiches Laserlicht mit Wellenlängen von 0,05 bis 5 Nanometern (Röntgenstrahlung) erzeugt werden kann. Die von 2009 bis 2016 gebauten Tunnel reichen vom DESY-Gelände in Hamburg bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld, wo der Forschungscampus mit einer unterirdischen Experimentierhalle entstanden ist. Die Baukosten einschließlich der Inbetriebnahme betragen laut der projekteigenen Internetseite 1,22 Milliarden Euro. Insgesamt sind elf Länder am European XFEL beteiligt.

Weitere Informationen:

http://www.biochem.uni-luebeck.de/

Rüdiger Labahn | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte