Holographie für Proteine

Es ist salopp gesagt gar nicht so einfach, Proteine vor‘s Mikroskop zu kriegen, um herauszufinden, wie sie aussehen. Doch die dreidimensionale Gestalt dieser Biomoleküle beschäftigt Biotechnologen, Pharmazeuten und Bioinformatiker brennend, denn sie bestimmt die Aufgabe des Proteins – mit welchen anderen Molekülen es überhaupt in Kontakt tritt und wie intensiv es mit ihnen interagiert. Das wiederum ist zum Beispiel für die Medikamenten-Entwicklung wichtig, weil hier Proteine entweder als Ziel einer Therapie oder als Waffe gegen andere Zielmoleküle interessant sind. In Kenntnis der Struktur lassen sich viel leichter optimale Reaktionspartner finden oder synthetisieren.

Jetzt haben Wissenschaftler um Jean Nicholas Longchamp von der Universität Zürich einen Trick gefunden, um die bisher recht mühsame – und in vielen Fällen unmögliche – Strukturaufklärung zu erleichtern. Stark vereinfacht ausgedrückt haben sie es geschafft, ein holografisches Bild eines Proteins aufzunehmen. Das ist ein bisschen wie Star Wars in der Biologie – Sie erinnern sich an das Hologramm von Prinzessin Leia? Mit der neuen Methode lassen sich nun möglicherweise ebenfalls spannende Aufnahmen machen.

Bisher lassen sich Proteine nur mühsam ihre Gestalt entlocken, nur in zwei Prozent der Fälle ist es bisher gelungen. Bei der häufigsten Methode, der Röntgenkristallographie, müssen die Proteine in kristalliner Form vorliegen und man braucht sehr viele von ihnen. Doch bei weitem nicht alle Proteine lassen sich in Kristalle überführen, und ausgerechnet die wichtige Klasse der Zellmembranproteine – die häufig im Visier von Medikamentenentwicklern sind – gehören nicht dazu. Andere Methoden wie der Beschuss mit stark beschleunigten Elektronen, die von den Proteinen in charakteristischer Weise abgelenkt werden und Hinweise auf die Struktur erlauben, haben den Nachteil, dass sie die empfindlichen Moleküle bei der Untersuchung schädigen und so das Ergebnis verfälschen können.

Die Züricher Forscher setzten deshalb auf sozusagen schonendere, niedrig-energetische Elektronenstrahlen und gingen folgendermaßen zu Werke: Zuerst brachten sie das Protein Ferritin – das beim Voranschreitend vieler neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson eine Rolle spielt – und winzige Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Wasser zusammen. Dann ließen sie das Wasser durch ein Sieb verdampfen, wobei in einigen Sieblöchern Ferritin-Nanoröhrchen-Tandems hängen blieben. Schickten die Forscher nun niedrig-energetische Elektronenstrahlen durch die Sieblöcher, wurden diese von den Molekül-Tandems abgelenkt. Die abgelenkten Elektronen überlagerten sich auf der anderen Siebseite mit einem sogenannten Referenzstrahl und erzeugen ein sogenanntes Interferenzmuster. Daraus ließ sich die dreidimensionale Struktur von Ferritin mit einer Auflösungen von weniger als einem Nanometer zusammensetzen.

Die Lösung mag sehr speziell klingen, dürfte aber eine große Bedeutung für die Biologie und Pharmazie haben. Den Forschern zufolge beschädigt die relativ einfache Methode die Objekte der Begierde nicht und lässt sich für viele Proteinkategorien anwenden. Jetzt soll noch die Auflösung weiter verbessert werden, die Technik dafür sei aber bereits vorhanden. Prinzessin Leias Hologramm mag trotz niedriger Auflösung erkennbar gewesen sein; doch für Proteine, die später eine medizinische Bedeutung haben könnten, muss das Bild so genau wie nur möglich sein. (vsz)