Auf dem Weg zu Schnappschüssen einzelner Moleküle
Human Frontier Science Program fördert interkontinentale Kooperation
Für die Entwicklung neuer Techniken zur Abbildung einzelner Moleküle bekommt ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von DESY-Wissenschaftler Henry Chapman finanzielle Unterstützung des Human Frontier Science Programs (HFSP). Die interkontinentale Kooperation zwischen Ned Seeman von der New York University (USA), Rick Millane von der University of Canterbury in Neuseeland, Trevor Forsyth von der Keele University in Großbritannien (zurzeit am Institut Laue-Langevin in Grenoble in Frankreich) und Chapman wird in den koommenden drei Jahren mit insgesamt 1,35 Millionen US-Dollar gefördert.
Beispiel für die oft komplexe Form von Biomolekülen: Diese Struktur des Doppelmoleküls (Dimer) des Photosystems II, das Teil der Photosynthese-Maschinerie ist, wurde mit Hilfe der Untersuchung von Kristallen gewonnen.
DESY
Die Wissenschaftler wollen gemeinsam eine Methode entwickeln, um einzelne Moleküle mit Hilfe sogenannter Freie-Elektronen-Röntgenlasern (X-ray Free-Electron Laser; XFEL) abzubilden. Diese von starken Teilchenbeschleunigern angetriebenen Laser erzeugen extrem helle und kurze Röntgenblitze, mit denen sich die räumliche Struktur von Molekülen in atomarer Auflösung erkunden lässt. Bislang erfordern solche Untersuchungen jedoch, zunächst Kristalle aus den zu untersuchenden Molekülen zu züchten. Aus der Art und Weise, wie das Röntgenlicht vom Kristall gestreut wird, lässt sich dessen innere Struktur und damit die Form seiner Bausteine – also der Moleküle – berechnen.
Insbesondere bei Biomolekülen ist es oft extrem schwierig, sie in Kristallform zu pressen, manchmal gelingt dies gar nicht. Eine Möglichkeit, einzelne Moleküle zu untersuchen, ohne sie kristallisieren zu müssen, würde daher einen wesentlichen Fortschritt bedeuten. Die Forscher wollen die einzelnen Moleküle dazu mit einer extra Struktur versehen, die eine Art Referenzmuster im Streubild der Röntgenstrahlung erzeugt und so die Auswertung und Kombination von Streudaten erleichtert.
Die Kooperation vereint dazu die nötige Expertise: Seeman ist ein Pionier für Nanotechnik mit RNA-Molekülen, Millane ist Experte für Diffraktionsdaten, Forsyth ist Experte für Neutron- und Röntgenstreuung sowie für die Strukturaufklärung von biologischen und verschiedenen anderen Systemen, und Chapman, der kürzlich die renommierte Röntgenmedaille bekommen hat, ist ein Röntgenlaser-Pionier, der zahlreiche Methoden und Techniken entwickelt hat, die inzwischen weltweit an derartigen Anlagen Standard sind.
Das Human Frontier Science Program möchte insbesondere die interkontinentale Zusammenarbeit an der vordersten Forschungsfront der Lebenswissenschaften fördern. Von mehr als 1000 in diesem Jahr eingereichten Anträgen wurden nur 30 für die Förderung ausgewählt. „Dieses Förderprogramm bringt eine wirklich bemerkenswerte Vielfalt von Ideen und Orten zusammen, und wir freuen uns sehr, dass wir diese Chance bekommen“, betont Chapman, der auch Professor an der Universität Hamburg sowie Mitglied im Hamburger Centre for Ultrafast Imaging (CUI) und dem Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist.
Die Human Frontier Science Program Organisation (HFSPO) mit Sitz in Straßburg bekommt staatliche Gelder aus Australien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Indien, Italien, Japan, Kanada, Neuseeland, Norwegen, der Schweiz, Singapur, Südkorea, den USA sowie von der Europäischen Union.
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