Superlaser enthüllen die Struktur von Schlüsselproteinen

Strukturbiologen aus Hamburg, Lübeck und Tübingen gehen neue Wege in der Erforschung von Proteinen in Krankheitserregern

Michael Duszenko/ Universität Tübingen

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Insektenzelle, aus der ein Proteinkristall (pink) herausragt.

31.01.2012: Wissenschaftler der Universitäten Hamburg, Lübeck und Tübingen haben in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und weiteren Forschergruppen ein neues Experiment erfolgreich durchgeführt, das sie in der aktuellen Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Methods“ beschreiben: Sie züchteten erstmals Nanokristalle von Proteinen in ihrer natürlichen Form in lebenden Zellen und erhielten durch Bestrahlung mit einem Freien-Elektronen-Laser Daten zur räumlichen Struktur der Proteine mit hoher Auflösung.

Die dreidimensionale Struktur der Proteine gibt Aufschluss darüber, welche Funktion sie bei der Steuerung einer Zelle in Organismen übernehmen. Wissen über die Struktur bietet somit beispielsweise die Grundlage für die Bekämpfung bakterieller Zellen oder Parasiten und unterstützt die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Krankheitserreger.

Bisher war zur Aufklärung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen durch Röntgenstrukturanalyse ein aufwendiges Verfahren nötig, denn Wissenschaftler mussten von ausgewählten Proteinen Kristalle mit einer Kantenlänge von mindestens 100 Mikrometer in jede Richtung züchten.

Mit einem „Freien-Elektronen-Laser“ in Stanford, Kalifornien, konnte die Forschergruppe nun hochintensive Röntgenpulse nutzen und viel kleinere Kristalle, nämlich Nanokristalle von nur wenigen Mikrometern Kantenlänge, untersuchen. Die Züchtung von Nanokristallen des Enzyms Cathepsin B aus dem Parasiten Trypanosoma brucei, dem Erreger der Schlafkrankheit, gelang den Strukturbiologen erstmalig in lebenden Insektenzellen.

Das Ergebnis zeigt, dass es mit der neuen Technologie möglich wird, Daten zur Proteinstruktur von Nanokristallen in hoher Qualität zu bekommen. Neben der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Nachwuchsgruppe „Strukturelle Infektionsbiologie unter Anwendung neuartiger Strahlungsquellen (SIAS)“ der Universitäten Hamburg und Lübeck und der Hamburg School for Structure and Dynamics in Infection (SDI) der Landesexzellenzinitiative Hamburg, waren ein Forscherteam um Prof. Michael Duszenko von der Universität Tübingen und Prof. Henry Chapman vom DESY beteiligt.

SIAS, initiiert von den Strukturforschern Prof. Christian Betzel, Universität Hamburg, und Prof. Rolf Hilgenfeld, Universität Lübeck, forscht seit 2010 zur Anwendung neuartiger Strahlungsquellen auf die Strukturbestimmung von Proteinen und anderen biologischen Molekülen. Ab 2015 wird ein solcher „Superlaser“ mit dem „Europäische X-FEL“ beim DESY in Betrieb gehen.

Prof. Michael Duszenko, Leiter der Abteilung Molekulare Parasitologie an der Universität Tübingen: „Bei der Klonierung von Cathepsin B, eines Enzyms aus Trypanosomen, konnten wir zeigen, dass sich in vivo Kristalle bilden. Aufgrund der geringen Größe und Fragilität dieser Kristalle wäre es allerdings unmöglich gewesen, diese zur Strukturanalyse zu nutzen. Deshalb hat der glückliche Umstand, dass gerade jetzt die neuartige Lasertechnologie in Kalifornien verfügbar war, dieses Projekt ideal ergänzt und neue Türen in der Strukturbiologie geöffnet. Ohne die fruchtbare Kooperation zwischen Tübingen, Hamburg und Lübeck wären die Ergebnisse nicht möglich gewesen.“

Dr. Lars Redecke, Leiter der Nachwuchsgruppe SIAS: „Unser Ergebnis zeigt, dass die Superlaser völlig neue Möglichkeiten in der Strukturaufklärung biologischer Makromoleküle bieten können. Vielleicht sind die Zeiten bald vorbei, in denen wir oft Monate oder Jahre brauchten, um von bestimmten Proteinen Kristalle zu züchten, die groß genug für Synchrotronstrahlungsquellen sind. Ich bin stolz, dass die Universitäten Hamburg, Lübeck und Tübingen bei diesen neuen Entwicklungen an vorderster Front dabei sind“.

Originalveröffentlichung:
"In vivo protein crystallization opens new routes in structural biology"; Michael Duszenko et al.; "Nature Methods", Advance Online Publication

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Hamburg
  • News

    Innovative Technik eröffnet neue Analysemöglichkeiten für Biomoleküle

    Wissenschaftler des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), des Europäischen Molekularbiologischen Laboratoriums (EMBL) sowie der Universitäten Hamburg und Lübeck haben bei DESY neue Analysemöglichkeiten für empfindliche Biomoleküle geschaffen. An der Röntgenquelle PETRA III durchleu ... mehr

    Neuer Ansatz für Malaria-Therapie?

    Zwei der dringlichsten Herausforderungen sind der Kampf gegen Nahrungsmittelknappheit und Infektionskrankheiten wie Malaria. Leider verlieren sowohl Herbizide zum Pflanzenschutz als auch Antiinfektiva rapide an Wirksamkeit, da die Zielorganismen Resistenzen entwickeln. Um beide Felder zu be ... mehr

    Was passiert im Inneren von Molekülen?

    Prof. Dr. Jochen Küpper, Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg und Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), erhält vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) einen Consolidator Grant in Höhe von rund 2 Millionen Euro. Prof. Küpper bekommt die Mit ... mehr

Mehr über Uni Lübeck
Mehr über Universität Tübingen
  • News

    Pilz mit Potenzial als Biodünger entdeckt

    Forscher der Universität Tübingen haben eine bislang unbekannte, mikroskopisch kleine Pilzart entdeckt, die bei bestimmten Pflanzen das Wachstum fördert. „Diese in Europa heimische Pilzart hat das Potenzial, als Biodünger zur Ertragssteigerung von Nutzpflanzen wie zum Beispiel Weizen oder M ... mehr

    Neuartiger Bluttest zum frühzeitigen Krebs-Nachweis erfolgreich

    Bei Krebserkrankungen hängt die Heilungschance entscheidend von einer frühen Diagnosestellung ab. Ärzte und Wissenschaftler um den Tübinger Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgen Priv.-Doz. Dr. Dr. Martin Grimm konnten jetzt bestätigen, dass mit einem neuartigen Bluttest der sichere Nachweis ... mehr

    Europäer sind als Erste auf den Hund gekommen

    Bisher war umstritten, wann und wo der Wolf zum Haustier Hund wurde: Die Domestikation schien vor 15.000 Jahren in Ostasien begonnen zu haben, doch die ältesten Überreste von hundeartigen Tieren stammten aus Europa und Sibirien bereits aus der Zeit vor etwa 30.000 Jahren. In einem internati ... mehr

Mehr über Deutsches Elektronen-Synchroton DESY
  • News

    Forscher beobachten Photosynthese in Aktion

    Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von DESY hat einen zentralen Schritt der Photosynthese erstmals in Aktion festgehalten. Die Gruppe unter Leitung von Prof. Petra Fromme von der Arizona State University nutzte den weltweit stärksten Röntgenlaser am US-Beschleunigerzentrum S ... mehr

    Forscher lassen molekulare Fußbälle explodieren

    Mit intensiven Röntgenlaserblitzen hat ein internationales Forscherteam die Explosion winziger Fußballmoleküle analysiert. Diese sogenannten Buckminsterfullerene, auch kurz als Buckyballs bezeichnet, bestehen aus 60 in Fußballform angeordneten Kohlenstoffatomen. Das Experiment, in dem die B ... mehr

    Serienbilder von Biomolekülen

    An DESYs Forschungslichtquelle PETRA III hat ein Team von Wissenschaftlern neue Möglichkeiten für die Analyse empfindlicher Biomoleküle eröffnet. Der neuartige Ansatz, der ursprünglich für Untersuchungen mit Röntgenlasern entwickelt worden ist, kann die atomare Struktur von Proteinen enthül ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.