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Neues Konzept erweitert Protein-Kristallographie

Konstruktiver Kniff – Doppel-Düse spart Protein-Kristalle

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Erweitertes Spektrum an analysierbaren Biomolekülen

„Wir reduzieren nicht nur den Kristallverbrauch, unsere doppelt fokussierende Düse nutzt die Röntgenquelle auch effizienter, indem wir die Rate erhöhen, mit der wir hochwertige Streubilder aufzeichnen“, sagt Bajt. „Außerdem ermöglicht das Ethanol als Jet-Flüssigkeit die Untersuchung von Proteinen, die Puffer benötigen, die sich bislang nicht injizieren lassen. Unser Konzept erweitert damit das Spektrum von Biomolekülen, die sich analysieren lassen.“ Bajts Team hat die neue Düse am Röntgenlaser LCLS des US-Teilchenbeschleunigerzentrums SLAC in Kalifornien getestet und sich dafür mit mehreren anderen Forschergruppen zusammengetan, um die Struktur verschiedener Proteine zu entschlüsseln.

Struktur derRNA-Polymerase II erstmals bei Raumtemperatur entschlüsselt

„Zusammen mit der Gruppe von Nobelpreisträger Roger Kornberg von der Stanford-Universität konnten wir die Struktur des Enzyms RNA-Polymerase II erstmals bei Raumtemperatur entschlüsseln“, erläutert Oberthür. „Da die Strukturanalyse bei Raumtemperatur eine Voraussetzung für die Detailuntersuchung der Strukturdynamik ist, eröffnet das die Möglichkeit zeitaufgelöster Untersuchungen, sogenannter molekularer Filme, von diesem wichtigen System.“ Die Untersuchung zeigte einige bislang unbekannte Details in der Struktur dieses Enzyms. Mit Hilfe der Düse wurden noch zwei weitere Enzyme – eine membrangebundene Hydrogenase sowie eine Dioxygenase – sowie natürlich vorkommende Protein-Nanokristalle aus dem Kokon eines spezialisierten Virus (Cydia-pomonella-Granulovirus, CpGV) untersucht.

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Auch Protein-Eis-Tropfstein-Problem ist gelöst

Die Düse löste dabei auch ein weiteres praktisches Problem dieser Form der Protein-Injektion: An der Kante gewöhnlicher Düsen und im Auffangbehälter unter dem Strahl sammeln sich in der Regel Proteinkristalle und Puffermaterial sowie Eiskristalle und wachsen zu tropfsteinartigen Gebilden heran. Wenn diese Protein-Eis-Stalagtiten und -Stalagmiten in den Röntgenstrahl geraten, machen sie nicht nur die Streubilder unbrauchbar, ihre Reflexionen können so hell sein, dass sie den Detektor beschädigen. Daher müssen derartige Experimente regelmäßig unterbrochen werden, um die Protein-Eis-Tropfsteine zu entfernen. „In unserer Düse verhindert das Ethanol die Entstehung solcher unerwünschten Gebilde und ermöglicht stundenlang stabile Experimentierbedingungen“, erläutert Oberthür.

„Die Düse hat in allen Experimenten extrem gut gearbeitet“, fasst Bajt zusammen. „Wir konnten die Zahl der nötigen Unterbrechungen in einer Schicht von zehn auf null reduzieren und erwarten, dass auch Experimentierstationen an anderen Röntgenlasern sowie an Synchrotron-Röntgenlichtquellen wie PETRA III bei DESY von den Vorteilen unseres Geräts profitieren können.“

An der Arbeit waren auch die Arizona State University, die Cornell University, die University of Minnesota, die Technische Universität Berlin, die Charité Universitätsmedizin Berlin, das Hauptman-Woodward Medical Research Institute, die Universität von Nova Gorica, das Institut für Metalle und Technologie in Ljubljana, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht und das Hamburger Center for Ultrafast Imaging beteiligt. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft.

Originalveröffentlichung: Dominik Oberthür et al.: Double-flow focused liquid injector for efficient serial femtosecond crystallography, Scientific Reports, 2017; DOI: 10.1038/srep44628

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