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Elektronen-Hologrammen von Proteinen Einzelne Proteine ohne Kristallisations-Umweg untersuchen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Um Proteine in ihrer Struktur untersuchen zu können, müssen diese Moleküle meist in Kristallform vorliegen, die dann mithilfe der Röntgenstrukturanalyse oder der Elektronenmikroskopie analysiert werden. Wissenschaftler der Universität Zürich und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung haben nun erstmals zerstörungsfrei Hologramme von einzelnen Proteinen aufgenommen.

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Schema der Elektronen-Holografie einzelner Proteine: Eine Metallspitze, deren Ende nur aus wenigen Atomen besteht, sendet einen Strahl vergleichsweise langsamer, also energiearmer Elektronen aus. Einen Teil des Strahls wird an dem Protein auf einem Graphen-Träger gestreut. Der gestreute Teil des Strahls erzeugt mit dem nicht-gestreuten Teil dann ein Interferenzmuster – das Hologramm, das aufgezeichnet wird.
Schema der Elektronen-Holografie einzelner Proteine: Eine Metallspitze, deren Ende nur aus wenigen Atomen besteht, sendet einen Strahl vergleichsweise langsamer, also energiearmer Elektronen aus. Einen Teil des Strahls wird an dem Protein auf einem Graphen-Träger gestreut. Der gestreute Teil des Strahls erzeugt mit dem nicht-gestreuten Teil dann ein Interferenzmuster – das Hologramm, das aufgezeichnet wird.
(Source: Tatiana Latychevskaia /Universität Zürich)

Stuttgart – Die Struktur von Proteinen zu kennen, ist nicht nur für Biologen interessant, die verstehen wollen, wie ein Organismus funktioniert. Auch Mediziner und Pharmakologen müssen wissen, wie Proteine aufgebaut sind, an welche Teile von ihnen andere Proteine oder kleinere Moleküle andocken und wie diese Bindungsstellen sich während der Arbeit des Proteins verändern. Denn mit diesem Wissen, können die Forscher medizinische Wirkstoffe entwickeln, die in die Protein-Maschinerie eingreifen, wenn diese nicht richtig funktioniert und wir krank werden.

Der Blick auf einzelne Proteine, ist dabei besonders hilfreich: Gängige Methoden wie die Röntgenstrukturanalyse und die Kryo-Elektronenmikroskopie sind auf Kristalle der Biomoleküle angewiesen beziehungsweise mitteln über Aufnahmen vieler Exemplare eines Proteins. Nicht nur, dass sich von vielen Proteinen keine Kristalle züchten lassen, mit diesen Methoden lassen sich auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Konformationen, also Strukturvarianten des Biomoleküls oft nicht erkennen. Gerade diese Variationen sind für die Suche nach Arzneistoffen jedoch wichtig, weil das Protein bei vielen Arbeitsschritten verschiedene Konformationen annimmt.

Die ursprüngliche Idee der Holografie wird jetzt Wirklichkeit

„Wir haben jetzt erstmals einzelne Protein abgebildet“, sagt Hans-Werner Fink, Professor an der Universität Zürich und Leiter des Experiments. „Möglich wurde das, weil wir zwei weltweit einzigartige Methoden kombiniert haben: die Elektronen-Holografie und die Elektrospray-Ionenstrahl-Deposition, mit der sich Proben besonders sanft präparieren lassen.“ Mit dieser Kombination erzeugten die Forscher Hologramme von Cytochrom C, Albumin und Hämoglobin. Da deren Strukturen bereits bekannt sind, konnten sie an diesen Proteinen überprüfen, wie aussagekräftig die Hologramme sind.

Für die Elektronen-Holografie haben die Züricher Forscher um Hans-Werner Fink ein neuartiges Mikroskop entwickelt, das die Welleneigenschaften von Elektronen ausnutzt. Das Mikroskop schickt Elektronen mit niedriger Energie durch ein Protein und überlagert die derart gestreuten Elektronen mit dem Teil des Elektronenstrahls, der mit dem Protein nicht interagiert hat. Das Interferenzmuster, das dabei entsteht und das von dem Mikroskop aufgezeichnet wird, ist das Hologramm – ganz so, wie man es von der optischen Holgrafie kennt. „Weil die Elektronen nur wenig Energie besitzen, gibt es dabei anders als bei anderen Methoden der Strukturanalyse kaum Strahlenschäden, selbst wenn wir ein Protein stundenlang abbilden“, sagt Hans-Werner Fink.

Mit dem Elektronen-Holografie-Mikroskop hat der Physiker die ursprüngliche Idee von Dennis Gábor verwirklicht. Als der ungarisch-britische Ingenieur 1947 die Holografie erfand, hatte er nämlich eigentlich ein verbessertes Elektronenmikroskop im Sinn. Es gab damals jedoch keine geeigneten Elektronenquellen, sodass sich dieses neue Prinzip der optischen Abbildung nach der Erfindung des Lasers zunächst nur mit Licht in die Praxis umsetzen ließ. Dafür erhielt Dennis Gabor im Jahre 1971 den Physik-Nobelpreis. „Nach der Erfindung einer atomar scharfen Elektronenpunktquelle, die Elektronen mit ähnlichen Eigenschaften abgibt wie ein Laser Licht, konnten wir die geniale Idee von Dennis Gabor schließlich auch mit Elektronenwellen realisieren“, sagt Hans-Werner Fink.

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