Chemie-Nobelpreis für Kryo-Elektronenmikroskopie Dem Leben bei der Arbeit zusehen

Biomoleküle sorgen dafür, dass wir hören und sehen, dass Pflanzen Sonnenenergie nutzen oder dass Viren Zellen entern können. Drei Forscher, die diese mächtigen Winzlinge sichtbar machen, erhalten den Chemie-Nobelpreis.

The Royal Swedish Academy of Sciences

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Manche der größten Erfolge beginnen mit einem Misserfolg. Wenn Richard Henderson dieses Jahr den Chemie-Nobelpreis erhält, dann hat das auch mit seinem großen Scheitern zu tun - und damit, dass er nicht einfach aufgab, sondern störrisch nach einem neuen Weg suchte.

Der schottische Forscher wollte bereits zu Beginn seiner Karriere in den Sechzigern darstellen, wie die Maschinerie des Lebens aufgebaut ist - die Proteine. Wenn Pflanzen Sonnenenergie einfangen, sind Proteine am Werk. Wenn die roten Blutkörperchen Sauerstoff transportieren, ebenso. Aber auch, wenn Krankheitserreger an Zellen andocken und sie entern. All diese Prozesse sind besser zu verstehen, wenn man die dreidimensionale Struktur der beteiligten Proteine kennt.

Für ein herkömmliches Mikroskop sind Proteine viel zu klein. Die Methode der Wahl war damals die sogenannte Röntgenkristallografie. Doch die Technik hatte ein paar Haken. Der wohl größte: Man musste das Protein dazu bringen, Kristalle zu bilden. Dazu benötigten Forscher zum einen recht viel Ausgangsmaterial und zum anderen Glück. Denn mit manchen Proteinen klappt das Kristallisieren einfach nicht. Beim ersten Protein, mit dem Henderson arbeitete, bekam er nur schwer ausreichende Mengen zusammen, das zweite bildete partout keine Kristalle, wie das Nobel-Komitee verrät.

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Kryo-Elektronenmikroskopie: Biomoleküle im Blick

Kein Selbstläufer

Nach diesen Rückschlägen wendete sich Henderson in den Siebzigern einer anderen Methode zu: der Elektronenmikroskopie. Das war alles andere als ein Selbstläufer, damals eignete sich die Methode überhaupt nicht für biologische Materialien. Die notwendige intensive Strahlung zerstörte nämlich die fragilen Proben. Und das ebenso geforderte Vakuum trocknete die Proben aus. Ohne schützende Wasserschicht verloren Proteine ihre dreidimensionale Struktur, also genau das, was Henderson ergründen wollte.

Zunächst arbeitete der Forscher mit einer Zuckerlösung, was das Austrocknen verhinderte. Und so gelang ihm bereits Mitte der Siebzigerjahre ein Durchbruch: Er stellte die Struktur eines Proteins dar, mit dessen Hilfe bestimmte Bakterien Lichtenergie nutzen, Bacteriorhodopsin. Die Auflösung war allerdings noch nicht so gut wie jene, die seine Kollegen mit der Röntgenkristallografie erreichten.

Doch nicht nur Henderson entwickelte die Technik weiter, auch andere forschten daran. Darunter die beiden weiteren Chemie-Nobelpreisträger dieses Jahres: Joachim Frank und Jacques Dubochet.

Bacteriorhodopsin: Strukturmodelle von 1975 (links) und 1990 (rechts)
Nobel Media AB 2017

Bacteriorhodopsin: Strukturmodelle von 1975 (links) und 1990 (rechts)

Algorithmen und Wasser-Glas

Joachim Frank, der in den USA forscht und in Deutschland geboren wurde, entwickelte eine mathematische Methode, um aus vielen unscharfen zweidimensionalen Aufnahmen der Elektronenmikroskopie eine detaillierte dreidimensionale Struktur zu errechnen. Mehr als zehn Jahre tüftelte er an den Algorithmen für die Bildverarbeitung.

Jacques Dubochet wiederum fand in den Achtzigern eine Lösung für das Problem mit dem Wasser: Es gelang ihm, die Flüssigkeit zu vitrifizieren. Vitrium ist das lateinische Wort für Glas. Dubochet ließ Wasser durch einen besonderen Kühlungsprozess nicht zu Eis gefrieren, sondern zu einer amorphen Masse, die Glas ähnelt. In dieser Form stören keine Eiskristalle bei der Aufnahme - das Wasser verdampft nicht sofort im Vakuum des Elektronenmikroskops - und vor allem behalten die Biomoleküle ihre Form. 1984 veröffentliche er Aufnahmen verschiedener Viren in vitrifiziertem Wasser.

Semliki-Forest-Viren in vitrifiziertem Wasser ("Nature"-Veröffentlichung von 1984)
Nobel Media AB 2017

Semliki-Forest-Viren in vitrifiziertem Wasser ("Nature"-Veröffentlichung von 1984)

Ein weiterer entscheidender Schritt gelang indes 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. Zwar gelang Henderson dies bereits 1990 mit Bacteriorhodopsin - aber das Protein war aufgrund seiner sich wiederholenden Strukturelemente ein Sonderfall.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht auch einen Blick auf größere Strukturen als ein einzelnes Protein. So konnten Forscher 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. Durch die Methode, so schreibt es das Nobelpreis-Komitee, sei in der Biochemie eine neue Ära angebrochen.

Wenn alles gut läuft, werden auch in dieser ein paar folgenreiche Misserfolge geschehen.

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