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 Lichtpulse bewegen Spins von Atom zu Atom
17.02.2020 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Physik des Lebens - Die Logistik des Molekül-Puzzles
17.02.2020 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Lichtpulse bewegen Spins von Atom zu Atom

Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzpulsspektroskopie (MBI) und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik haben durch die Kombination von Experiment und Theorie die Frage gelöst, wie Laserpulse die Magnetisierung durch ultraschnellen Elektronentransfer zwischen verschiedenen Atomen manipulieren können.

Wenige nanometerdünne Filme aus magnetischen Materialien sind ideale Testobjekte, um grundlegende Fragestellungen des Magnetismus zu untersuchen. Darüber...

Im Focus: Freiburg researcher investigate the origins of surface texture

Most natural and artificial surfaces are rough: metals and even glasses that appear smooth to the naked eye can look like jagged mountain ranges under the microscope. There is currently no uniform theory about the origin of this roughness despite it being observed on all scales, from the atomic to the tectonic. Scientists suspect that the rough surface is formed by irreversible plastic deformation that occurs in many processes of mechanical machining of components such as milling.

Prof. Dr. Lars Pastewka from the Simulation group at the Department of Microsystems Engineering at the University of Freiburg and his team have simulated such...

Im Focus: Transparente menschliche Organe ermöglichen dreidimensionale Kartierungen auf Zellebene

Erstmals gelang es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, intakte menschliche Organe durchsichtig zu machen. Mittels mikroskopischer Bildgebung konnten sie die zugrunde liegenden komplexen Strukturen der durchsichtigen Organe auf zellulärer Ebene sichtbar machen. Solche strukturellen Kartierungen von Organen bergen das Potenzial, künftig als Vorlage für 3D-Bioprinting-Technologien zum Einsatz zu kommen. Das wäre ein wichtiger Schritt, um in Zukunft künstliche Alternativen als Ersatz für benötigte Spenderorgane erzeugen zu können. Dies sind die Ergebnisse des Helmholtz Zentrums München, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM).

In der biomedizinischen Forschung gilt „seeing is believing“. Die Entschlüsselung der strukturellen Komplexität menschlicher Organe war schon immer eine große...

Im Focus: Skyrmions like it hot: Spin structures are controllable even at high temperatures

Investigation of the temperature dependence of the skyrmion Hall effect reveals further insights into possible new data storage devices

The joint research project of Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) and the Massachusetts Institute of Technology (MIT) that had previously demonstrated...

Im Focus: Skyrmionen mögen es heiß – Spinstrukturen auch bei hohen Temperaturen steuerbar

Neue Spinstrukturen für zukünftige Magnetspeicher: Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Skyrmion-Hall-Effekts liefert weitere Einblicke in mögliche neue Datenspeichergeräte

Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen weiteren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

4. Fachtagung Fahrzeugklimatisierung am 13.-14. Mai 2020 in Stuttgart

10.02.2020 | Veranstaltungen

Alternative Antriebskonzepte, technische Innovationen und Brandschutz im Schienenfahrzeugbau

07.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste Untersuchungsergebnisse zum "Sensations-Meteoritenfall" von Flensburg

17.02.2020 | Geowissenschaften

Lichtpulse bewegen Spins von Atom zu Atom

17.02.2020 | Physik Astronomie

Freiburger Forscher untersucht Ursprünge der Beschaffenheit von Oberflächen

17.02.2020 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics