Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenlaser-Technik ebnet den Weg zu neuen biologischen Erkenntnissen

01.06.2012
Erste hochauflösende Strukturanalyse von Biomolekülen zeigt Potenzial von Freie-Elektronen-Lasern

Ein internationales Forscherteam hat erstmals die innere Struktur eines Biomoleküls hochaufgelöst mit einem Röntgenlaser analysiert. Die Studie an der Linac Coherent Light Source (LCLS) des US-Beschleunigerzentrums SLAC demonstriere das enorme Potenzial sogenannter Freie-Elektronen-Laser (FEL) für die Strukturbiologie, schreiben die Wissenschaftler im US-Fachjournal „Science“.


Koloriertes Beugungsbild eines Röntgenblitzes an einem Lysozym-Mikrokristall

Das internationale Team, darunter Forscher vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) auf dem DESY-Campus in Hamburg, entzifferte die Struktur des Enzyms Lysozym aus dem Hühnereiweiß auf 0,19 Nanometer genau.

Lysozym ist ein extrem gut untersuchtes Biomolekül, das in der aktuellen Studie als Modellsystem diente, um die Genauigkeit der Methode zu belegen, wie die Forscher um Sébastien Boutet vom SLAC betonen.

„Die außergewöhnlich intensiven Röntgenblitze von FELs ermöglichen die Analyse ganz neuer Klassen von Biomolekülen wie etwa Proteinen aus der Zellmembran, die sich nur schwer oder fast gar nicht kristallisieren lassen“, unterstreicht Ko-Autor und CFEL-Forscher Henry Chapman vom DESY. „Das erlaubt uns, unkartiertes Gelände der Biologie zu erkunden.“ Das CFEL ist ein Gemeinschaftsunternehmen von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg.

Die Struktur von Biomolekülen ist von großer Bedeutung für Medizin und Biologie, denn ihre Form bestimmt oft über ihre Funktion. Ausgehend von der Struktur eines Enzyms, das etwa für einen Zellrezeptor eine entscheidende Rolle spielt, lässt sich unter Umständen ein maßgeschneidertes Medikament entwickeln. Bisher werden solche Strukturen üblicherweise mit der Röntgenkristallographie an Synchrotronstrahlungsquellen untersucht. Doch dafür sind vergleichsweise große und sehr regelmäßige Kristalle der Probensubstanz nötig. Die Röntgenstrahlung wird an dem regelmäßigen Kristallgitter gestreut, und dieses Beugungsmuster gibt Aufschluss über die Struktur des Kristalls. Viele Biomoleküle sind jedoch nur schwer zu kristallisieren und nicht sehr widerstandsfähig gegen Röntgenstrahlung.

Neuartige Röntgenlaser wie die LCLS oder der in Hamburg im Bau befindliche europäische Röntgenlaser European XFEL bieten die Chance, solche bislang unzugänglichen Strukturen zu untersuchen. Denn die Röntgenblitze dieser Instrumente sind so hell, dass bereits winzigste Kristalle ausreichen, um gute Beugungsbilder aufzunehmen. Allerdings werden die Proben durch das intensive Röntgenlicht nahezu sofort zerstört. Vor dem Verdampfen der Probe lassen sich jedoch noch exzellente Beugungsbilder aufnehmen. „Wir konnten zeigen, dass sich hochaufgelöste Informationen aufnehmen lassen, bevor Strahlungsschäden wirksam werden“, erläutert Anton Barty aus der Gruppe von Chapman. „Der Schlüssel sind die ultrakurzen Pulse – es zeigt sich kein Schaden, bevor der Röntgenpuls nicht schon vorbei ist.“

Die verwendeten Röntgenblitze waren bis zu fünf Femtosekunden kurz. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde. Da die Proben von den Blitzen zerstört werden, verwendeten die Forscher statt eines einzelnen, großen Kristalls Millionen Mikrokristalle mit typischen Abmessungen von einem mal einem mal drei Mikrometern (tausendstel Millimetern), die sie in einer Lösung senkrecht durch den Laser fließen ließen. Unter etwa 3,5 Millionen Röntgenblitzen registrierten die Forscher rund 100 000 Treffer, aus denen sich die Lysozym-Struktur schließlich berechnen und mit früheren Analysen von sehr viel größeren Lysozym-Kristallen vergleichen ließ. „Die gute Übereinstimmung macht die Methode zu einem wertvollen Werkzeug für Systeme, bei denen sich nur winzige Kristalle gewinnen lassen“, unterstreicht Ko-Autorin Ilme Schlichting vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg.

Die Forscher hatten die Methode zuvor mit anderen Biomolekülen ausprobiert. Diese Untersuchungen hatten allerdings noch nicht die hohe Auflösung erreicht, die für neue Erkenntnisse in der Strukturbiologie nötig ist. Dank eines neuen Instruments an der LCLS, dem Coherent X-ray Imaging Instrument (CXI) konnten sie nun Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,132 Nanometern analysieren.

Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern (ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters). Die Wellenlänge der verwendeten Strahlung bestimmt die Detailgröße, die sich noch erkennen lässt. „Wir können die intensiven LCLS-Pulse nutzen, um die Struktur des Moleküls so fein abzubilden, dass wir beginnen, auf die Position einzelner Atome schließen zu können“, betont Erstautor Séastien Boutet. „Diese wichtige Demonstration zeigt, dass die Technik funktioniert, und sie ebnet den Weg für eine Vielzahl spannender künftiger Experimente.“

Dr. Thomas Zoufal | idw
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/infos__services/presse/pressemeldungen/2012/pm_310512/index_ger.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise