Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenblitze entschlüsseln Struktur von Virus-Kokon

14.02.2017

Mit Hilfe intensiver Röntgenblitze hat ein internationales Forscherteam die kristalline Proteinhülle eines Insektenvirus entschlüsselt. Die Analyse zeigt die Bausteine des Virus-Kokons mit einer Detailgenauigkeit von 0,2 Nanometern (millionstel Millimetern) – das entspricht nahezu atomarer Auflösung. Die winzigen Viruskapseln sind die mit Abstand kleinsten Proteinkristalle, die Forscher je mit Hilfe der Röntgenkristallographie entschlüsselt haben. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Proteinstrukturen, wie das Team um DESY-Forscher Prof. Henry Chapman vom Center for Free-Electron Laser Science in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften („PNAS“) berichtet.

„Das Granulovirus befällt bestimmte Insekten und tötet sie. Da es dann mit seinem toten Wirt zunächst an Ort und Stelle liegenbleibt, muss es sich – manchmal jahrelang – vor Umwelteinflüssen wie Hitze, UV-Licht und Trockenheit schützen, bis es irgendwann wieder von einem Insekt aufgenommen wird. Deshalb hüllt sich das Virus in einen Kokon aus Proteinkristallen, der sich erst im Insektendarm wieder auflöst“, erläutert Dr. Cornelius Gati von DESY, Hauptautor der wissenschaftlichen Veröffentlichung.


Struktur der Bausteine des Viruskokons (links und Mitte) sowie des Einzelproteins Granulin (rechts), berechnet aus der Röntgenstrukturanalyse.

Dominik Oberthür, CFEL/DESY

Diese Viren sind das Spezialgebiet von Prof. Peter Metcalf von der Universität Auckland in Neuseeland und Prof. Johannes Jehle vom Julius-Kühn-Institut in Darmstadt, deren Gruppen an der Studie beteiligt sind. Die Forscher untersuchten den Kokon eines Granulovirus (CpGV), das in der Landwirtschaft als biologisches Schädlingsbekämpfungsmittel gegen die Raupen des Apfelwicklers Cydia pomonella eingesetzt wird. Für Menschen sind diese Viren ungefährlich.

Forscher interessieren sich für die räumliche Struktur von Proteinen und anderen Biomolekülen, weil sich dadurch deren Funktionsweise erschließen lässt. Daraus hat sich ein eigener Wissenschaftszweig entwickelt, die Strukturbiologie. „In den vergangenen 50 Jahren haben Wissenschaftler mehr als 100 000 Proteinstrukturen entschlüsselt“, betont Chapman, der auch Physikprofessor an der Universität Hamburg ist. „Das mit Abstand wichtigste Werkzeug dabei ist die Röntgenkristallographie.“

Bei dieser Methode wird ein Kristall aus dem zu untersuchenden Protein gezüchtet und mit hellem Röntgenlicht beleuchtet. Es entsteht ein charakteristisches Muster der gebeugten Röntgenstrahlen, aus dem sich die räumliche Struktur des untersuchten Kristalls und seiner Bausteine berechnen lässt.

„Eine große Herausforderung bei diesem Verfahren ist allerdings die Kristallzucht“, sagt Chapman. Viele Proteine lassen sich nur widerwillig in Kristallform zwingen, weil es nicht ihrem natürlichen Zustand entspricht. Je kleiner die Kristalle für die Untersuchung sein dürfen, desto eher gelingt zwar häufig die Zucht, desto schwieriger ist jedoch auch die Untersuchung. „Wir hoffen, in Zukunft sogar ganz auf die Kristallzucht verzichten und einzelne Moleküle direkt per Röntgenlicht untersuchen zu können. Daher möchten wir verstehen, wo die Grenzen liegen“, sagt Chapman.

„Die eiförmigen Okklusionskörper des Granulovirus sind die kleinsten Proteinkristalle, die je für die Röntgen-Strukturanalyse benutzt worden sind“, erläutert Gati. Diese Virus-Kokons haben ein Volumen von etwa 0,01 Kubik-Mikrometer, das ist rund Hundert Mal weniger als die kleinsten künstlich gezüchteten Proteinkristalle, die bislang mit der Kristallographie analysiert werden konnten.

Je kleiner ein Kristall ist, desto heller muss das Röntgenlicht sein, mit dem er beleuchtet wird, um ein ausreichend detailliertes Streubild aufnehmen zu können. Die intensivsten Röntgenblitze erzeugen sogenannte Freie-Elektronen-Laser, in denen ein Strahl extrem schneller Elektronen durch eine magnetische Slalomstrecke gelenkt wird und dabei laserartiges Röntgenlicht aussendet.

Die Wissenschaftler nutzten für ihre Untersuchungen den Freie-Elektronen-Laser LCLS am US-Forschungszentrum SLAC in Kalifornien und fokussierten seine Röntgenpulse mit einer Spezialoptik auf eine Größe, die dem Durchmesser eines Viruspartikels entspricht. „Wenn man die geballte Kraft des Röntgenlasers komplett auf ein winziges Virus fokussiert, bekommt es eine enorme Strahlungsdosis“, berichtet Gati, der heute am SLAC arbeitet. Die Dosis lag bei 1,3 Milliarden Gray. Zum Vergleich: Die tödliche Dosis für Menschen liegt bei etwa 50 Gray.

Die Röntgenstrahlungsdosis war auch für die Viruskristalle vernichtend – sie verdampften in den Blitzen. Allerdings sind die Blitze so kurz, dass sie die Strukturinformation des unbeschädigten Kristalls zum Detektor befördern, bevor das Viruspartikel explodiert. Die Analyse der aufgezeichneten Streubilder zeigt, dass selbst die winzigen Proteinkristalle trotz der extrem hohen Strahlungsdosis auf diese Weise ihre Struktur in atomarer Auflösung preisgeben.

„Simulationen auf Grundlage unserer Messungen ergeben, dass wir mit unserer Methode voraussichtlich selbst die Struktur von noch kleineren Kristallen aus lediglich einigen hundert oder tausend Molekülen entschlüsseln könnten“, berichtet Chapman, der auch Mitglied im Hamburger Center for Ultrafast Imaging (CUI) ist. „Damit schaffen wir einen großen Schritt in Richtung unseres Ziels, der Analyse von Einzelmolekülen.“

An der Studie waren auch die European XFEL GmbH in Schenefeld, das Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, die Arizona State University (USA) und die Universität Basel (Schweiz) beteiligt.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.


Originalveröffentlichung
Atomic structure of granulin determined from native nanocrystalline granulovirus using an X-ray free-electron laser; Cornelius Gati et al.
„PNAS”, 2017; DOI: 10.1073/pnas.1609243114

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1174&... - Pressemtteilung mit Bildmaterial

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

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