Mit einer Ultraschallplatte brachten die Forscher einen winzigen Flüssigkeitstropfen von rund einem Millimeter Durchmesser zum Schweben. Darin frei beweglich: der zu analysierende Proteinkristall.

Röntgenstrukturanalyse im schwebenden Tropfen

Der Aufbau von Proteinen wird standardmäßig mittels Röntgenstrahlung entschlüsselt, wobei die Proben bislang auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden müssen. Mit einem Kniff gelang es Soichiro Tsujino und Takashi Tomizaki vom Paul Scherrer Institut in der Schweiz nun diese sogenannte Röntgenstrukturanalyse bei Raumtemperatur und damit sehr nahe an den natürlichen Bedingungen im Organismus durchzuführen: Sie untersuchten das Protein in einem frei in der Luft schwebenden Flüssigkeitstropfen. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“.

Für eine Röntgenstrukturanalyse werden zunächst aus vielen Exemplaren eines Proteins mikrometerkleine Kristalle gezüchtet. Diese müssen auf rund minus 170 Grad Celsius gekühlt werden und lassen sich dann mit einem sehr feinen und sehr intensiven Röntgenstrahl untersuchen. Die in der Probe abgelenkte Röntgenstrahlung enthält Informationen über die Anordnung der Atome und demnach über die Struktur des jeweiligen Proteins. „Das Problem bei dieser Methode ist die notwendige Kühlung der Proteinkristalle“, erklärt Tomizaki. Diese erfolgt, damit die Proteine im Kristall keinen Schaden durch die Röntgenstrahlung nehmen. „Keiner kann garantieren, dass bei rund minus 170 Grad Celsius die Proteine weiterhin ihre komplett natürliche Struktur haben – also die Struktur, die sie bei Körpertemperatur im Organismus haben.“

Tsujino und Tomizaki entwickelten die Methode deshalb weiter. Statt die winzigen Proteinkristalle wie bisher auf einem Probenhalter zu fixieren, schlossen sie diese in einen Flüssigkeitstropfen mit einem Durchmesser von rund einem Millimeter ein. Anschließend brachten sie den Tropfen mittels Ultraschall zum Schweben und lenkten Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz darauf. Die Tauglichkeit dieser Methode testeten die beiden Forscher an dem Protein Lysozym, dessen Struktur bereits aus früheren Messungen bekannt ist. Und tatsächlich lieferte das neue Verfahren das korrekte Ergebnis. Damit haben die Wissenschaftler erstmals die Röntgenstrukturanalyse eines Proteins in einem schwebenden Tropfen erfolgreich demonstriert. Sie konnten zudem zeigen, dass die Proteine auch bei dieser Methode keinen Strahlungsschaden nehmen.

Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens sei die einfache Handhabung der winzigen Proteinkristalle, so Tsujino und Tomizaki. Das Züchten von Proteinkristallen erfolgt in einer Proteinlösung. Die beiden Wissenschaftler nahmen einfach mit der Pipette einen Tropfen dieser Lösung mitsamt darin befindlichem Kristall auf. Bei der klassischen Strukturanalyse müssen diese mühsam auf dem Probenhalter befestigt werden. „Die Einfachheit unserer Methode macht sie zugleich zu einer sehr kostengünstigen Prozedur“, sagt Tsujino.

Proteine befinden sich in den Zellen jedes lebenden Wesens. Insgesamt gibt es eine unüberschaubare Anzahl verschiedenartiger Proteine, die im Organismus ebenso vielfältige Aufgaben übernehmen. Die jeweilige Funktion eines Proteins hängt dabei stark mit seiner Struktur zusammen: Der Form, in der die Proteinbausteine zueinander ausgerichtet sind. Eine genaue Kenntnis der Proteinstruktur ist daher entscheidend, um beispielsweise maßgeschneiderte medizinische Wirkstoffe entwickeln zu können.