Scharfer Blick auf Biomoleküle

Exakte Aufnahmen von den dreidimensionalen Strukturen komplexer Biomoleküle liefern wichtige Erkenntnisse über die Funktion biologischer Prozesse. Derartige Bilder lassen sich unter anderem mit Kryo-Elektronenmikroskopen gewinnen, für deren Entwicklung vergangene Woche der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Nun konnten Forscher zeigen, dass das Potenzial dieses bildgebenden Verfahrens noch nicht ausgeschöpft ist. In der Fachzeitschrift „Nature Methods“ präsentieren sie ein Kryo-Elektronenmikroskop, das mit relativ langsamen Elektronen eine Bildauflösung von weniger als 0,3 Nanometern erreicht.

Ineinander verschlungene dreidimensionale Struktur in den vier Farben blau, rot, grün und gelb.
Aufnahme eines Biomoleküls

Wie bei einem herkömmlichen Transmissionselektronenmikroskop treffen auch bei der Kryo-Elektronenmikroskopie beschleunigte Elektronen auf eine dünne Probe. Die Elektronen werden daraufhin an den Atomen der enthaltenen Moleküle gestreut. So entsteht ein Beugungsbild, das die Forscher hinter der Probe mit empfindlichen Elektronendetektoren aufnehmen und im Rechner analysieren. Die diesjährigen Nobelpreisträger hatten erstmals vorgeschlagen, Biomoleküle möglichst schnell auf unter minus 150 Grad Celsius abzukühlen – und anschließend im Elektronenmikroskop zu untersuchen. Denn die schockgefrorenen Proben bleiben in der Vakuumkammer, in der solche Analysen stattfinden, gut erhalten. Aus mehreren Beugungsaufnahmen lassen sich dann dreidimensionale Strukturbilder selbst komplexer Biomoleküle berechnen. Je schneller die Elektronen sind, desto dickere Proben können untersucht werden.

Gabriel Lander vom Scripps Research Institute im kalifornischen La Jolla und seine Kollegen nutzten in ihren Experimenten nun relativ langsame, nur mit Spannungen von 200 Kilovolt beschleunigte Elektronen. Diese lenkten die Forscher auf schockgefrorene Proben aus Enzymen oder Proteinen, die sich auf einem filigranen Netz aus Goldfäden befanden. Die an den Proben gestreuten Elektronen detektierte das Team mit einem empfindlichen Elektronendetektor. Aus den so gewonnenen Beugungsbildern rekonstruierten die Wissenschaftler dann die dreidimensionale Struktur der Biomoleküle. „Ich habe nie erwartet, dass wir mit dieser Technik die Anordnung einzelner Wassermoleküle oder die Ausrichtung von Seitenketten an komplexen Biomolekülen beobachten könnten“, sagt Lander.

Eine so genaue Strukturanalyse war bislang nur mit deutlich teureren Elektronenmikroskopen möglich. Die Wissenschaftler haben also gezeigt, dass auch günstige Kryo-Elektronenmikroskope mit mittleren Beschleunigungsspannungen ausreichend gute 3D-Bilder von Biomolekülen aufnehmen können. Lander hält weitere Verbesserungen der Auflösung für möglich und ist Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson sehr dankbar: „Die drei Preisträger sind wahre Visionäre. Sie haben Generationen von Strukturbiologen inspiriert“.