Röntgenkristallographie Proteinstrukturanalyse bei Raumtemperatur

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Strukturanalysen an Wirkstoffen müssen üblicherweise bei extrem tiefen Temperaturen durchgeführt werden. Dabei kann es zu Veränderungen der Protein-Konformationen kommen. Am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg haben Wissenschaftler nun ein neues Instrument in Betrieb genommen, dass Strukturanalysen bei Raumtemperatur ermöglicht.

Forschende am Center for Free-Electron Laser Science CFEL bei DESY haben eine neue Röntgenkristallographie-Technik bei Raumtemperatur entwickelt, die die strukturbasierte Arzneimittelentwicklung, bei der Wirkstoffe gezielt unter zu Hilfenahme der 3D-Struktur von Proteinen entwickelt werden, deutlich beschleunigen könnte. Die Technik zeigt Proteine in Zuständen, die näher an ihren natürlichen, physiologischen Bedingungen liegen. Die aktuell veröffentlichte Studie zeigt, dass dieser Ansatz Daten über die Struktur von Proteinen von vergleichbarer Qualität wie bisher übliche Kryo-Experimente liefern und gleichzeitig bisher unbekannte Variationen der räumliche Strukturen, so genannte „Konformationen“, medizinisch relevanter Proteine aufdecken kann. Und genau das ist passiert: Bei den Tests entdeckte das Team bei Raumtemperatur eine bisher nicht beobachtete Konformation eines Enzyms, das unerwünschte Antibiotika-Resistenzen verursacht. Diese Information eröffnet neue Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Medikamente, die Antibiotika-Resistenzen verhindern, heißt es in einer Pressemitteilung.

Herkömmliche Technik bei -170°C

Die makromolekulare Röntgenkristallographie ist seit Langem ein Eckpfeiler der Arzneimittelforschung, da sie Forschenden ermöglicht, Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Wirkstoffen mit atomarer Auflösung sichtbar zu machen. Traditionell werden diese Experimente bei kryogenen Temperaturen (-170 °C) durchgeführt, um die Strahlenschäden an den Proben zu reduzieren und ein Austrocknen zu verhindern. Das Einfrieren kann jedoch Molekülstrukturen verzerren und dynamische Zustände verschleiern, die für die biologische Funktion und die Wirksamkeit von Arzneimitteln entscheidend sind.

Das DESY-Team hat nun gezeigt, dass die serielle Kristallographie bei Raumtemperatur diese Einschränkungen überwinden kann. Mithilfe des vom Forschungsteam entwickelten HiPhaX-Instruments (High-throughput Pharmaceutical X-ray screening) an der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III verglichen die Forschenden systematisch das Fragment-Screening bei Temperaturen, die mit 23 °C näher an den physiologischen Bedingungen liegen, mit herkömmlichen Messungen bei -170 °C an einem Enzym, das zur Antibiotikaresistenz von Bakterien beiträgt. Das Fragment-Screening ist ein vereinfachtes Wirkstoff-Screening, bei dem keine chemisch komplexen, sondern einfachere Moleküle, quasi Fragmente von Wirkstoffen, getestet werden. Dadurch lassen sich schneller grundlegende Wechselwirkungen von den Molekülen mit Proteinen entdecken, die als Grundlage für die nächsten Schritte in der Wirkstoffentwicklung dienen.

Der Hauptautor der Studie Günther betont: „Durch die Kombination von serieller Kristallographie mit On-Chip-Kristallisation und verbesserten Mehrfachprobenhaltern können wir Verbindungen schnell und zuverlässig unter nahezu physiologischen Bedingungen screenen.“

Das neu eingerichtete Instrument wurde speziell für die serielle Kristallographie mit hohem Durchsatz entwickelt und ermöglicht eine schnelle Datenerfassung aus Tausenden von Mikrokristallen bei präziser Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Mit seinen mit 12 Fächern ausgestatteten Probenhaltern und der integrierten Automatisierung ermöglicht HiPhaX Forschenden das effiziente Screening einer hohen Anzahl an möglichen Protein-Wirkstoff-Verbindungen bei minimalem manuellem Aufwand und minimalem Probenverbrauch.

Untersuchungen liefern bisher unbekannten Konformationszustand

Mit der neuen Methode entdeckte das Team eine bisher unbekannte Konformation im aktiven Zentrum des Enzyms, die seine Wechselwirkung mit Antibiotika und möglichen Arzneimitteln beeinflussen könnte. Dieser Konformationszustand war in allen früheren kryogenisch ermittelten Datensätzen nicht sichtbar und fehlte sogar in den Vorhersagen von AlphaFold 3, dem modernsten KI-Tool zur Vorhersage von Proteinstrukturen. Die Entdeckung unterstreicht, wie experimentelle Daten, die bei physiologischen Temperaturen gesammelt wurden, funktional relevante Proteinzustände aufdecken können, die von Computermodellen übersehen werden.

„HiPhaX stellt einen großen Fortschritt in der Strukturbiologie dar“, sagt Alke Meents, leitender Autor der Studie. „Es vereint Geschwindigkeit, Präzision und Flexibilität. Die Tatsache, dass AlphaFold diese Konformation nicht vorhergesagt hat, zeigt, wie viel Raum für Synergien zwischen Experiment und KI besteht. Durch die Bereitstellung realistischer Daten bei Raumtemperatur können wir zukünftige Computermodelle genauer und biologisch aussagekräftiger machen.“

Die von der Arbeitsgruppe entwickelte Methode könnte bei PETRA IV, dem geplanten Nachfolger der aktuellen Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III bei DESY, noch größere Möglichkeiten eröffnen. „Umfangreichere Probenscreenings eröffnen neue Wege von der Grundlagenforschung zur Medikamentenentwicklung. Mit PETRA IV werden diese Prozesse dank weitgehender Automatisierung und dem Einsatz künstlicher Intelligenz künftig noch schneller und effizienter ablaufen“, sagt Britta Redlich, Direktorin für den Bereich Forschung mit Photonen bei DESY.

PETRA IV wird durch hochintensive Röntgenstrahlen ultraschnelle, vollautomatische Strukturscreenings ermöglichen, wodurch die Effizienz der Infrastruktur für die Wirkstoffforschung weiter gesteigert wird, heißt es in einer Pressemitteilung.

Auf dem Weg zu einer schnelleren und realistischeren Wirkstoffforschung

Die Studie legt nahe, dass das Fragment-Screening bei Raumtemperatur bald zu einer Standardmethode im strukturbasierten Wirkstoffdesign werden könnte. Durch die Kombination dieses hochautomatisierten Röntgen-Screenings mit einer KI-gestützten Datenanalyse wird diese Methode in Zukunft die Untersuchung von Tausenden von Verbindungen pro Tag ermöglichen. Dies wird den Weg von der molekularen Entdeckung bis zur medizinischen Anwendung erheblich beschleunigen.

Die Arbeiten wurden an DESYs Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III durchgeführt und von der Helmholtz-Gemeinschaft und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF – jetzt BMFTR) im Rahmen des Röntgen-Ångström-Cluster-Projekts „X-ray drug design platform (XDD)“ gefördert.

Originalpublikation: Günther, S., Fischer, P., Galchenkova, M. et al. Room-temperature X-ray fragment screening with serial crystallography. Nat Commun 16, 9089 (2025).

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