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Zeitaufgelöste Kristallographie

Die Choreographie von Biomolekülen verfolgen

| Autor/ Redakteur: Jenny Witt* / Christian Lüttmann

Chemische Reaktionen sind mitunter schwer zu analysieren. Ganz besonders, wenn komplexe Biomoleküle involviert sind, die nur in der richtigen Form funktionieren und diese während der Reaktion laufend ändern. Mit einer neuen kristallographischen Methode soll die Analyse dieser Molekül-Choreographie nun leichter zu untersuchen sein.

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Die „Liquid Application Method for time-resolved Analyses“ (kurz: Lama) lässt sich auf alle diffusionsgeeignenten Proteinkristallsysteme anwenden.
Die „Liquid Application Method for time-resolved Analyses“ (kurz: Lama) lässt sich auf alle diffusionsgeeignenten Proteinkristallsysteme anwenden.
(Bild: Jörg Harms / MPSD)

Hamburg – Biomoleküle sind oft die Spezialisten im Körper: Sie beschleunigen gezielt bestimmte Reaktionen oder machen diese erst möglich. Dabei ist nicht allein ihre molekulare Struktur entscheidend, sondern ebenso ihre Form und Faltung, die sich bei den Reaktionen reversibel verändert.

Mittels der zeitaufgelösten Röntgenkristallographie lassen sich Schnappschüsse eines reagierenden Biomoleküls aufnehmen, die das Verständnis dieser dynamischen Bewegungen vertiefen. Allerdings ist es oftmals schwierig, solche Reaktionen gezielt anzustoßen. Typischerweise müssen Forscher deshalb auf optisch ausgelöste Reaktionen mit speziellen Lasern zurückgreifen.

Biochemie entschlüsseln dank „Lama“

Nun hat ein Forscherteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), der Universität Hamburg und dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) eine neue Methode entwickelt, um Biomoleküle bei der Arbeit zu beobachten. Sie soll es bedeutend einfacher machen, enzymatische Reaktionen auszulösen. Die neue ‚Liquid Application Method for time-resolved Analyses’ – kurz „Lama“ – umgeht die sonst nötigen optischen Auslöser. Hierzu nutzt sie einen Cocktail aus kleinen Flüssigkeitsmengen und Proteinkristallen. Ab dem Zeitpunkt des Mischens werden die Proteinstrukturen in definierten Abständen bestimmt. Mit der dadurch entstehenden Zeitraffersequenz können die Bewegungen der biologischen Moleküle abgebildet werden.

Die Methode ist auf biologisch relevante Reaktionszeitskalen ausgelegt, die von wenigen Millisekunden bis hin zu Sekunden oder sogar Minuten andauern. Für Biologen und pharmazeutische Wissenschaftler sind diese Zeitskalen besonders relevant, denn dort geschehen die strukturellen Änderungen, die eine spezifische biologische Funktion oder die Katalyse eines Medikaments bestimmen.

Methode bereits in Anwendung

Die neue Technik haben die Forscher bereits getestet. Mit den hochintensiven, mikrofokussierten Röntgenstrahlen der EMBL-Beamline P14-2 am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) haben sie auf der Millisekundenskala ein Enzym untersucht, das Zucker umwandelt. Durch die neue Methode ließ sich das gesamte Experiment laut Aussage der Wissenschaftler bedeutend einfacher gestalten als mit herkömmlichen Methoden.

Für den Test haben die Molekularbiologen einige Pikoliter Zuckerlösung mit Mikrokristallen des Enzyms gemischt. Daraufhin nahmen sie Schnappschüsse der Reaktion auf, während das Enzym die ringförmige Zuckerstruktur in eine offene Kette umwandelte.

Die „Lama“-Methode wird am PETRA III-Synchrotron von DESY schon als Standardoption eingesetzt, genauer gesagt in einer neuen Kristallographie-Messstation der EMBL-Beamline P14-2. Die neue Technologie soll Forschern nun verbesserte Einblicke in biochemische Prozesse gewähren.

Originalpublikation: P. Mehrabi, E.-C. Schulz, M. Agthe, S. Horrell, G. Bourenkov, D. von Stetten, J.-P. Leimkohl, H. Schikora, T. R. Schneider, A. R. Pearson, F. Tellkamp, and R. J. D. Miller: Liquid application method for time-resolved analyses by serial synchrotron crystallography, Nature methods (2019); DOI: 10.1038/s41592-019-0553-1

* J. Witt, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, 22761 Hamburg

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