Eingefrorenes und eingefangenes Leben: Wir erklären, was der Chemie-Nobelpreisträger Jacques Dubochet ermöglicht hat

Der Nobelpreis für Chemie geht unter anderem an den Schweizer Jacques Dubochet. Dies, weil er massgeblich an der Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie beteiligt war. Worum es dabei geht, erklärt Chemie-Studentin Tabea Arnold.

Jacques Dubochet. – Screenshot: Youtube/Nobelprice.org

Vor einigen Tagen ist der Nobelpreis für Chemie an Jacques Dubochet (Schweiz), den gebürtigen Deutschen Joachim Frank (Vereinigte Staaten) und Richard Henderson (Grossbritannien) verliehen worden. Dies zeigt, wie wichtig die Zusammenarbeit von verschiedenen Länder in der Wissenschaft ist: Zusammen an einem Strang ziehen. Ausgezeichnet wurden die Forscher für ihre Arbeit und Entwicklung der sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopie zur hochauflösenden Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösungen. Die Entwicklung der drei Forscher ermöglicht Einblicke in die Moleküle des Lebens.

Die Hürden für die Kryo-Elektronenmikroskopie

Was genau haben die Nobelpreisträger entwickelt? Während meinem Studium bin ich auch schon über die besagte Elektronenmikroskopie gestolpert. Wir haben sie mit der Rverglichen. Rosalind Frank war massgebend an der Entschlüsselung der Struktur der DNA durch Röntgenkristallographie beteiligt. Sie war eine ausgesprochene Expertin für Röntgenkristallographie. Dafür sind Kristalle nötig, welche mit Röntgenlicht bestrahlt werden, das erhaltene Muster im Röntgenbild verrät die Kristallstruktur. Damit konnte die Doppelhelix Struktur der DNA aufgeklärt werden. Nun könnte man diese Methode doch auch noch für andere Biomoleküle wie Proteine anwenden?

Rosalind Franklins Röntgenbild von der DNA, mit der herkömmlichen Rötgenkristallographie gemessen. – Bild: Wikimedia

Nur manche Moleküle lassen sich nur unter grossem Aufwand oder gar nicht kristallisieren. Leider hat Richard Henderson gerade so ein Protein erwischt, das sich einfach nicht kristallisieren liess. Kopf in den Sand stecken und aufhören? Nein! Eine neue Methode für die Strukturaufklärung von Proteinen muss her, eine die ohne Kristallisierung funktioniert. Nach Jahren des erfolglosen Arbeitens wechselte Richard zu der damals einzigen vorhandenen Alternative: Zum Elektronenmikroskop.

Dieses Gerät funktioniert in etwa so wie ein normales Mikroskop, nur das anstelle von Licht, ein Strahl von Elektronen durch die Probe geschickt wird. Da die Wellenlänge von Elektronen viel kürzer ist als jene von Licht, kann das Elektronenmikroskop viel kleinere Strukturen sichtbar machen, sogar einzelne Atome. Ist das nicht cool? Als das Elektronenmikroskop 1930 entwickelt wurde, dachten ForscherInnen es wäre nur geeignet für tote Materie. Für eine gute Auflösung des Bildes ist ein intensiver Elektronenstrahl nötig, jedoch verbrennt dieser biologisches Material wie zum Beispiel Proteine oder Viren. Zusätzlich benötigt das Elektronenmikroskop ein Vakuum. In diesem luftleeren Raum verdampft das Wasser sehr schnell. Falls Biomoleküle auf dem Trockenen landen, gehen sie zu Grunde, dabei verlieren sie ihre natürliche Struktur.

Eiskalter Durchbruch

Doch 1990 gelang es dem Nobelpreisträger Richard Henderson ein dreidimensionales Bild eines Proteins in atomarer Auflösung zu machen. Dieser Durchbruch bewies das Potential dieser Technologie auch für Biomoleküle. Dank Joachim Frank wird diese Methode einem breiteren Publikum zugänglich. Zwischen 1975 und 1986 entwickelte er eine Bildverarbeitungs-Methode, in welcher verschwommene 2D Bilder des Elektronenmikroskops zur scharfen 3D Struktur führen.

Schematische Darstellung der Kryo-Elektronenmikroskopie. – Bild: Max-Planck-Institut

Das Problem des Vakuums und Wasserverlusts wurde dann vom Schweizer Jacques Dubochet gelöst. Zufälligerweise kühlte er Wasser so schnell ab, dass sich keine Eiskristalle mehr bildeten. Die wässrige Lösung verglast durch diese schnelle Abkühlung. Ein Glas ist eine amorphe Substanz, also eigentlich eine gefrorene Flüssigkeit. Beim Verglasen des Wassers mit flüssigem Stickstoff rund um die Biomoleküle, erlaubt es diesen in ihrer natürlichen Form zu bleiben. So verdampft das Wasser unter dem Vakuum nicht so schnell. Zusätzlich fehlen die für den Elektronenstrahl störende Eiskristalle. Daher kommt auch kryos im Namen vor, dieses bedeutet im griechischen so viel wie kalt.

Immenser praktischer Nutzen

Ein weiterer entscheidender Schritt gelang erst vor wenigen Jahren, nämlich 2013, als ein neuartiger Elektronendetektor die Auflösung noch einmal deutlich verbesserte. Seitdem ist es möglich, verschiedenste Proteine in atomarer Auflösung darzustellen.

Verbesserung der Methode von links auf rechts im Jahr 2013. – Bild: The Royal Swedish Academy of Sciences

Die Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht auch einen Blick auf grössere Strukturen als ein einzelnes Protein. So konnten ForscherInnen beispielsweise die Struktur des Zika-Virus, das in Südamerika eine Epidemie auslöste, darstellen. Das hilft dabei, Angriffspunkte für Medikamente zu entdecken. Auch der Blick auf körpereigene Proteine kann bei der Entwicklung neuer Therapien entscheidend sein.

In letzter Zeit konnten unzählige erstaunliche Strukturen von der molekularen Maschinerie des Lebens in der wissenschaftlichen Literatur publiziert werden. Salmonellen, die mit ihrer Nadel andere Zellen attackieren. Proteine, die es möglich machen gegen Krebsmedikamente oder Antibiotika resistent zu sein. Licht einfangende komplexe Moleküle, die wichtig für die Photosynthese sind und auch ein Drucksensor der es möglich macht, dass wir hören können. Dies sind nur wenige Beispiele von Hunderten von Biomolekülen, die nun bildlich dargestellt werde können, dank Kryo-Elektronenmikroskopie. In der Biochemie ist eine neue Ära angebrochen.

So reagiert der Schweizer Jacques Dubochet, auf den Gewinn des Nobelpreises

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