Coole Mikroskop-Technologie revolutioniert Biochemie

Nobelpreise für Chemie vergeben

04.10.2017

© Martin Högbom/The Royal Swedish Academy of Sciences

Verbesserung der Auflösung durch Kryoelektronenmikroskopie

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Visualisierung von 3D-Strukturen, die mit der Kryoelektronenmikroskopie erhalten wurden.

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Die von Dubochet entwickelte Probenvorbereitungstechnik

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Die von Frank entwickelte Visualisierungstechnik

Möglicherweise haben wir bald detaillierte Bilder der komplexen Maschinen des Lebens in atomarer Auflösung. Der Chemie-Nobelpreis 2017 geht an Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson für die Entwicklung der Kryoelektronenmikroskopie, die die Bildgebung von Biomolekülen vereinfacht und verbessert. Diese Methode hat die Biochemie in eine neue Ära versetzt.

Ein Bild ist der Schlüssel zum Verständnis. Wissenschaftliche Durchbrüche bauen oft auf der erfolgreichen Visualisierung von Objekten auf, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Biochemische Karten sind jedoch seit langem mit leeren Lücken gefüllt, weil die verfügbare Technologie Schwierigkeiten hatte, Bilder von einem Großteil der molekularen Maschinerie des Lebens zu erzeugen. Die Kryoelektronenmikroskopie verändert all das. Die Forscher können Biomoleküle nun in der Mitte der Bewegung einfrieren und bisher nicht gekannte Prozesse visualisieren, was sowohl für das Grundverständnis der Chemie des Lebens als auch für die Entwicklung von Pharmazeutika entscheidend ist.

Elektronenmikroskope galten lange Zeit als nur für die Abbildung toter Materie geeignet, weil der starke Elektronenstrahl biologisches Material zerstört. 1990 gelang es Richard Henderson jedoch, mit einem Elektronenmikroskop ein dreidimensionales Bild eines Proteins in atomarer Auflösung zu erzeugen. Dieser Durchbruch bewies das Potenzial der Technologie.

Joachim Frank machte die Technik allgemein anwendbar. Zwischen 1975 und 1986 entwickelte er ein Bildverarbeitungsverfahren, bei dem die unscharfen zweidimensionalen Bilder des Elektronenmikroskops analysiert und zu einer scharfen dreidimensionalen Struktur zusammengeführt werden.

Jacques Dubochet hat der Elektronenmikroskopie Wasser hinzugefügt. Im Vakuum des Elektronenmikroskops verdampft flüssiges Wasser, wodurch die Biomoleküle kollabieren. Anfang der 1980er Jahre gelang es Dubochet, Wasser zu verglasen - er kühlte Wasser so schnell ab, dass es sich in flüssiger Form um eine biologische Probe verfestigte, so dass die Biomoleküle ihre natürliche Form auch im Vakuum behalten konnten.

Nach diesen Entdeckungen wurden alle Schrauben und Muttern des Elektronenmikroskops optimiert. Die gewünschte atomare Auflösung wurde 2013 erreicht und die Forscher können nun routinemäßig dreidimensionale Strukturen von Biomolekülen erzeugen. In den letzten Jahren wurde die wissenschaftliche Literatur mit Bildern von Proteinen, die Antibiotikaresistenzen verursachen, bis hin zur Oberfläche des Zika-Virus gefüllt. Die Biochemie steht vor einer explosiven Entwicklung und ist bereit für eine spannende Zukunft.

Kungl. Vetenskapsakademien (The Royal Swedish Academy of Sciences)

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