Es war einmal.. .. eine Zelle und sie wurde nimmermehr gesehen?

Essay
Illustration: Fotolia / freshideas
Strukturbiologie
im 21. Jahrhundert
von Oliver Einsle, Freiburg
Strukturbiologen sollten
Röntgenstrukturanalyse,
Cryo-Elektronenmikroskopie
und NMR nicht länger als
konkurrierende Methoden
betrachten. Strukturbiologische
Fragen lassen sich nur mit allen
drei gemeinsam lösen.
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Die Strukturbiologie bedient unseren
grundlegenden Wunsch, Objekte, für die
wir uns interessieren auch sehen zu können
– das macht ihren ganz besonderen
Reiz aus. Als echte Augentiere bauen wir
Teleskope und Mikroskope oder kaufen
uns zumindest einen Fernseher. In der Welt
der Atome und Moleküle, der Chemie und
Biochemie, stoßen Lichtmikroskope (auch
höchstauflösende) aber an ihre Grenzen.
Die Beugung des Lichts, auf der die vergrößernde
Bildgebung basiert, funktioniert
nur, solange sich die Wellenlänge des benutzten
Lichts auch in der Größenordnung
der untersuchten Objekte bewegt. Für die
Darstellung atomarer Details benötigen wir
daher Wellenlängen von etwa 0,1 bis 0,2
Nanometer. Das entspricht etwa der Länge
einer C–C-Einfachbindung (0,15 nm).
Die atomare Mikroskopie hatte deshalb
nur zwei Optionen aus denen letztlich
zwei grundlegende Methoden der
Strukturaufklärung hervorgingen: Zum
einen die Röntgenstrukturanalyse, die
die Beugung kurzwelliger, energiereicher
Röntgenstrahlen des Lichtspektrums an bestrahlten
Objekten ausnützt; zum anderen
die Elektronenmikroskopie, die Elektronen
(also Elementarteilchen) mit ähnlich hoher
Energie und kurzer Wellenlänge einsetzt.
Dank ihrer negativen Ladung lassen
sich Elektronen über elektromagnetische
Linsen fokussieren, was den Bau einer bildgebenden
Optik und damit eines echten
Elektronenmikroskops ermöglicht. Grundsätzlich
kann ein Elektronenmikroskop problemlos
einzelne Atome sichtbar machen
– die Schwierigkeiten beginnen jedoch
beim Arbeiten mit weichen (biologischen)
Proben: Elektronen haben durch ihren
Teilchencharakter eine ungleich größere
Masse als Photonen und damit auch einen
Impuls, der sich auf die Probe überträgt
und diese in kürzester Zeit schädigt und
zerstört. Gleichzeitig liefern die leichten
Atome biologischer Makromoleküle nur
schwach kontrastierte Bilder, was durch
möglichst lange Belichtungszeiten ausgeglichen
werden muss.
„Diese entgegengesetzten
Anforderungen limitierten
die atomare Elektronenmikroskopie
über Jahrzehnte.“
Diese entgegengesetzten
Anforderungen
limitierten die atomare
Elektronenmikroskopie
über Jahrzehnte.
Dennoch hat sie insbesondere
bei der Strukturbestimmung
großer Partikel wie dem
Ribosom oder den Capsiden verschiedener
Viren Großartiges geleistet.
Demgegenüber steht die Proteinkristallographie:
Obwohl die weitgehend
masselosen Röntgenphotonen eine biologische
Probe weitaus weniger schädigen,
finden wir in den Preislisten einschlägiger
Gerätehersteller keine Röntgenmikroskope.
Der Grund ist einfach: für Röntgenstrahlen
existieren keine bildgebenden Optiken oder
Röntgenlinsen. Wir können die Strahlen
an einem Makromolekül beugen, die gebeugten
Wellen lassen sich aber nicht wieder
einsammeln und zu einem vergrößerten
Abbild vereinigen.
Der Weg zur Lösung dieses vor mehr
als einem Jahrhundert erkannten Problems
war steinig. Er wurde jedoch, unter
anderem gepflastert durch zahlreiche Nobelpreise,
soweit gangbar gemacht, dass
die Röntgenstrukturanalyse die bis heute
konkurrenzlos erfolgreichste Methode der
‚atomaren Mikroskopie’ ist.
Für ihren Erfolg mussten die Pioniere
der Röntgenstrukturanalyse etliche Hindernisse
aus dem Weg räumen. Eines der
größten war das Problem, ohne bildgebende
Optiken oder Röntgenlinsen ein Bild
aus den gebeugten Wellen herauszulesen.
Dies gelang schließlich durch die Kristallisation
von Proteinen. Die unzähligen, in
Reih’ und Glied stehenden Kopien des in die
Kristallstruktur eingebundenen Moleküls,
verstärken die gebeugten Röntgenstrahlen
durch konstruktive Interferenz um etliche
Größenordnungen.
Die Kristallbildung ist grundsätzlich
entropiegetrieben (durch den teilweisen
Verlust der geordneten Hydrathülle der
Makromoleküle) und damit exergon. Sie
funktioniert also immer
– worüber sich
zugegebenermaßen
nicht alle Proteine im
Klaren sind. Die Herstellung
qualitativ
hochwertiger Einkristalle
wird daher häufig
als Flaschenhals bei der kristallographischen
Strukturaufklärung angesehen. Die
Probleme liegen aber eher in der Bereitstellung
homogenen Proteinmaterials, also auf
der Seite der präparativen Biochemie.
Auch wenn es meist anders wahrgenommen
wird, ist die Situation auf Seiten
der Elektronenmikroskopie keine grundsätzlich
andere: Trotz direkter Bildgebung
erzwingt die schwache Kontrastierung der
erhaltenen Bilder eine Verstärkung durch
systematische Mittelung: Die beobachteten
Projektionen verschiedener Anordnungen
(‚Klassen’) des untersuchten Moleküls in
der gefrorenen Probe werden vielfach gemittelt.
Die erhaltenen, kontrastreicheren
Bilder vereint man dann zu einer dreidimensionalen
Rekonstruktion.
Bei der Röntgenbeugung führen die Forscher
die Kristallisation in der realen Welt
durch und verlagern die Bildgebung in den
Computer. Bei der Elektronenmikroskopie
ist es genau umgekehrt: Auf die reale Bildgebung
folgt die Verstärkung durch Mittelung
im Computer. Das Ergebnis der beiden
Beugungsmethoden ist so verschieden
nicht: der Forscher erhält jeweils eine Karte
mit der Verteilung (‚Dichte’) von Elektronen
7-8/2016 Laborjournal