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

Essay
im Raum, die ihm die Grundlage für den
Bau eines molekularen Modells liefert.
So viel zum technischen Aspekt. Wenn
wir dieser Tage während einer verdienten
Kaffeepause zum Wissenschaftsmagazin
unserer Wahl greifen, seien es Science, Nature
oder – bevorzugt – das Laborjournal,
so wird schnell deutlich, dass sich in der
Welt der Strukturbiologie etwas ereignet
hat. Fast jeder Artikel, der sich nicht
mit CRISPR-Cas9 oder einem Flug zum
Mars befasst, beschreibt eine neue Molekülstruktur,
die mit Hilfe der Elektronenmikroskopie
in einer Qualität aufgeklärt
wurde, die bis vor Kurzem der kristallographischen
Röntgenbeugung vorbehalten
war – und dies ohne die Grenzen, die
durch die Kristallisierbarkeit gesetzt sind.
Die Kommentare reichen von ‚The end of
blob-ology’ (Nature Methods) bis zu ‚the
revolution will not be crystallized’ (Nature).
Die Grundlage dieser Revolution bildet
eine Reihe erstaunlicher technischer Neuund
Weiterentwicklungen der vergangenen
Jahre. Insbesondere die immer weiter fortschreitende
Detektor-Technologie beschert
beiden Techniken durch CMOS-basierte,
direkte Photonen- beziehungsweise Elektronenzähler
um Größenordnungen höhere
Empfindlichkeiten.
Zusammen mit der Tiefkühlung – und
bald weiter verstärkt durch Phasenkontrast-Optiken
(‚phase plates’) – hat insbesondere
die Elektronenmikroskopie eine
Darstellungsqualität erreicht, die für Jahrzehnte
immer nur als vages Versprechen
weit entfernt am Horizont erschien. Ribosomen,
Spleißosomen, aber auch integrale
Membranproteine und Enzyme werden in
nie dagewesener Präzision aufgelöst, und
fast täglich vermelden Strukturbiologen
neue Auflösungsrekorde
(derzeit ca.
1,9 Å) oder Rekorde
der minimalen Proteingröße
(derzeit
120-200 kDa).
Die Cryo-Elektronenmikroskopie
ist für Nature Methods die Methode des
Jahres, und nicht von ungefähr lautete die
ursprüngliche Vorgabe des Laborjournals
für diesen Essay: ”Was kann die Kristallographie
noch immer besser als Cryo-EM und
NMR und wo ergänzt sie diese?“ So wichtig
die Klärung der Frage nach dem schnellsten
Sportwagen, dem größten Pool und der besten
Methode zweifellos auch unter Strukturforschern
sein mag, und so verständlich
es ist, bei der Beantragung eines Großgeräts
die Fähigkeiten dieses Geräts auch adäquat
hervorzuheben – so sehr geht der hier angesprochene
Vergleich an der eigentlichen
„Wir lösen Kristallstrukturen
nicht mehr länger, weil die zugehörigen
Proteine zufällig gut
kristallisieren."
Bedeutung und Chance der gegenwärtigen
Entwicklung vorbei. Die Fortschritte der
jüngsten Zeit sollen und dürfen nicht zu
einem Streit unter Methodikern führen. Sie
sollten uns vielmehr vor Augen führen, dass
die Strukturbiologie in heutiger Zeit ein
multivariantes (gerne auch ‚integratives’)
Werkzeug für molekulare Fragestellungen
geworden ist. In seiner methodischen Vielfalt
(XRD, EM, NMR, X-MS, FRET, [your
favourite method here]) erlaubt sie es uns
endlich, die tatsächlichen biologischen Fragestellungen
anzupacken.
Wir lösen Kristallstrukturen
nicht
mehr länger, weil die
zugehörigen Proteine
zufällig gut kristallisieren.
Das große Ribosom ist nicht mehr
länger das ideale Objekt der Elektronenmikroskopie
– und es wird nicht (viel) länger
genügen, sich nur auf eine einzige Methode
der Strukturaufklärung zu stützen. Alle
zusammen bilden das Technik-Arsenal,
mit dem wir in der nahen Zukunft unser
Bild der Zelle als fundamentaler Organisationseinheit
allen Lebens von Grund auf
neu definieren werden.
Dies beginnt im Kleinsten, wo
bio chemische Fragestellungen letzten
Endes mechanistische sind. Ein chemischer
oder enzymatischer Mechanismus umfasst
die Struktur aller relevanten Reaktionsintermediate
sowie deren jeweiliger Umwandlungsraten
ineinander. Im atomaren
Detail ist die Röntgenbeugung hier sicherlich
konkurrenzlos.
In der nächsten Stufe stellt sich die Frage
nach der Interaktion und Dynamik der
Proteine in der Zelle. Gerade hier greifen
alle denkbaren Techniken
in fast idealer
Weise ineinander.
Auf der nächstgrößeren
Skala wiederum
ist es die Elektronen-Tomographie,
die uns ein nie dagewesenes
Verständnis der Ultrastruktur
einer Zelle ermöglicht.
Die Kristallographie kann in ihren guten
Momenten durchaus auch innerhalb
von Stunden zur Aufklärung einer Proteinstruktur
führen. Wenn ein Komplex
jedoch aufgrund seiner intrinsischen und
funktionalen Flexibilität nicht kristallisiert,
ist die Elektronenmikroskopie unschlagbar.
Beide Techniken können wiederum Grundlage
für die Untersuchung der Proteindynamik
durch NMR-Spektroskopie liefern.
Sie verstehen schon: Today, there’s only
one Strukturbiologie. Struktur ist nur ein
„Alles gut also? Fast! Das
Vorhalten aller beschriebenen
Methoden ist ein teurer Spaß.“
Vehikel auf dem Weg zum Verständnis der
Funktion.
Alles gut also? Fast! Das Vorhalten aller
beschriebenen Methoden ist ein teurer
Spaß. Die Preise der Spitzenmodelle von
Cryo-EM und NMR-Geräten sind vergleichbar.
Für den Preis eines dieser Instrumente
lassen sich alternativ etwa 50 moderne
Röntgendiffraktometer beschaffen (die
nun wirklich niemand benötigt, das gebe
ich gerne zu). Die Konsequenz ist jedoch
eine unvermeidliche Monopolisierung des
Zugangs zu Instrumenten.
Die Beschaffung
eines hochauflösenden
Elektronenmikroskops
oder eines 1,1 GHz
NMR-Spektrometers
übersteigt die Möglichkeiten der meisten
Universitäten – spätestens wenn die Rechnungen
für Wartungsverträge eintreffen.
In der Proteinkristallographie entspricht
dem am ehesten die Nutzung von Synchrotron-Strahlungsquellen,
also zentralen – in
aller Regel nationalen – Großforschungseinrichtungen,
die mit wohletablierten
Nutzungskonzepten eindeutig Erfolgsmodelle
darstellen. Eine Entwicklung in dieser
Richtung ist für die Elektronenmikroskopie
sicherlich denkbar und wünschenswert.
Eine weitere Herausforderung liegt
in der Ausbildung des wissenschaftlichen
Nachwuchses in verschiedenen Techniken
auf höchstem Niveau. Für die besprochenen,
komplexen Methoden ist dies
nicht in grundständigen Studiengängen zu
leisten, und ein M.Sc. Structural Biology
wäre genau nicht das, was die oben propagierte
Fokussierung auf die biologischen
Fragestellungen unterstützen würde. Wir
benötigen eine integrierte Ausbildung auf
dem Niveau von Promovierenden oder Postdocs,
was neue Lehrkonzepte erfordert.
Wahr ist auch, dass die Kombination von
Methoden dort am besten funktioniert, wo
alle an einem Ort verfügbar sind. Für Universitäten
ist dies eine echte, strategische
Herausforderung, die nur Fakultäten-übergreifend
und mit der vollen Unterstützung
der Universitätsleitung gelingen kann. Die
große Sichtbarkeit der Strukturbiologie
kann, soll und wird derartige Strategien
nicht zuletzt zu wichtigen Bausteinen kommender
Exzellenzinitiativen machen.
Die hierfür notwendigen Weichenstellungen
müssen genau jetzt geschehen.
Oliver Einsle ist Professor für Biochemie
am Institut für Biochemie der
Universität Freiburg.
Laborjournal
7-8/2016
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