English China

Proteinanalyse per Röntgenstrahl Eierkochen in der Quarzküvette

Redakteur: Christian Lüttmann

Was passiert im Ei beim Kochen? Das wollten Forscher am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY ganz genau wissen. Sie haben die molekularen Prozesse beim Stocken von Eiweiß mithilfe von Röntgenstrahlen analysiert. Damit haben sie gezeigt, dass sich die Methode zum Bestimmen von Proteinstruktur und Dynamik eignet.

Firmen zum Thema

Die Strahlführung P10 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III, an der die Experimente stattgefunden haben.
Die Strahlführung P10 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III, an der die Experimente stattgefunden haben.
(Bild: Universität Tübingen, Anastasia Ragulskaya)

Tübingen, Siegen – Eier gehören zu den vielfältigsten Zutaten in der Küche und der Lebensmittelindustrie. Sie können Gel, Schaum oder vergleichsweise fest sein und dienen auch als Grundlage für Emulsionen. Bei etwa 80 °C wird Eiweiß („Eiklar“) fest und optisch undurchsichtig. Das liegt daran, dass die Proteine in dem Eiweiß bei Erhitzen eine Netzstruktur bilden. Um die genaue molekulare Struktur von Eiweiß zu untersuchen, ist kurzwellige Strahlung wie Röntgenlicht nötig, die das undurchsichtige Eiweiß durchdringt und deren Wellenlänge nicht größer ist als die zu untersuchenden Strukturen.

Wie sich die molekulare Struktur beim Eierkochen verändert, haben Forscher der Universitäten Tübingen und Siegen nun mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III analysiert. Die Untersuchung zeigt, wie sich die Proteine im Hühnereiweiß beim Erhitzen entfalten und vernetzen, um eine feste Struktur zu bilden. Damit demonstrierten die Wissenschaftler, dass diese Methode sowohl für die Lebensmittelindustrie interessant ist, als auch für Proteinanalysen in der Forschung.

Eierkochen in der Quarzküvette

Für ihre Versuche verwendeten die Wissenschaftler ein handelsübliches Hühnerei und füllten das Eiweiß in ein Quarzröhrchen mit 1,5 Millimetern Durchmesser. „Darin wurde das Eiweiß kontrolliert erhitzt, während wir es mit Röntgenlicht analysiert haben“, sagt Ko-Autor Fabian Westermeier von DESY. „Der Röntgenstrahl war dabei auf 0,1 mal 0,1 Millimeter aufgeweitet, sodass die Strahlungsdosis die Proteinstrukturen nicht geschädigt hat.“

Die Messung zeigt die Proteindynamik im Eiweiß über rund eine Viertelstunde. In den ersten knapp drei Minuten bei 80 °C wuchs das Proteinnetzwerk exponentiell und erreichte nach etwa fünf Minuten ein Plateau, auf dem sich nahezu keine weiteren Proteinverknüpfungen mehr formten. Die mittlere Maschengröße des Proteinnetzes lag nach dieser Zeit bei ungefähr 0,4 Mikrometern. Möglich war die gleichzeitige Bestimmung von Struktur und Dynamik der Proteine im Eiweiß durch eine bestimmte Geometrie der Röntgenphotonen-Korrelationsspektroskopie (XPCS).

Selbstorganisation von Proteinlösungen

In einer weiteren Studie untersuchte das Team mit der XPCS-Technik Mischungen aus Proteinen und Polymeren. Diese verhalten sich ähnlich wie Öl-Wasser-Mischungen: sie trennen sich auf. Dabei bilden die Polymere kleine Domänen, sozusagen Tröpfchen, die in der umgebenden Proteinlösung schwimmen.

Mit ihrer Messmethode verfolgten die Forscher die Dynamik dieser Phasentrennung und haben neue Einblicke in dieses System gewonnen. „Die Beweglichkeit der Proteine sinkt, wenn ihre Konzentration in der Mischung hoch ist. Im Extremfall führte das dazu, dass sogar die Phasentrennung stoppt“, berichtet Hauptautorin Anita Girelli.

Die Modellversuche der Forscher können helfen, Prozesse in Zellen besser zu verstehen. Dort bilden sich z. B. durch Phasenseparation Zellorganellen. Und auch für die Pharmazie sind solche Modellversuche relevant, etwa wenn es darum geht, neue Wirkstoffmischungen anzusetzen, die nicht zu zähflüssig sein dürfen und in denen die verschiedenen Komponenten gleichmäßig verteilt sein müssen. „Die erfolgreiche Anwendung der Röntgenphotonen-Korrelationsspektroskopie eröffnet einen neuen Weg zur Untersuchung der Dynamik von Biomolekülen, was unerlässlich ist, um sie wirklich zu verstehen“, betont der Studienleiter Prof. Frank Schreiber von der Universität Tübingen.

Originalveröffentlichungen:

Nafisa Begam, Anastasia Ragulskaya, Anita Girelli, Hendrik Rahmann, Sivasurender Chandran, Fabian Westermeier, Mario Reiser, Michael Sprung, Fajun Zhang, Christian Gutt, and Frank Schreiber: Kinetics of Network Formation and Heterogeneous Dynamics of an Egg White Gel Revealed by Coherent X-Ray Scattering, Physical Review Letters, 2021; DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.098001

Anita Girelli, Hendrik Rahmann, Nafisa Begam, Anastasia Ragulskaya, Mario Reiser, Sivasurender Chandran, Fabian Westermeier, Michael Sprung, Fajun Zhang, Christian Gutt, and Frank Schreiber: Microscopic dynamics of liquid-liquid phase separation and domain coarsening in a protein solution revealed by XPCS, Physical Review Letters, 2021 (zur Veröffentlichung akzeptiert; im Druck)

(ID:47322030)