Kryoelektronenmikroskopie: Hochauflösende Bilder mit günstiger Technik

Kryoelektronenmikroskopie hat in den vergangenen Jahren entscheidend an Bedeutung gewonnen, besonders um die Struktur von Proteinen aufzuklären. Die Entwickler der neuen Technik erhielten 2017 den Nobelpreis für Chemie. Der Trick: Die Proben werden schockgefroren und dann mit Elektronen beschossen. In der klassischen Elektronenmikroskopie hingegen wird der Probe zuvor jegliches Wasser entzogen. Das ist nötig, weil die Untersuchung im Vakuum stattfindet, wobei Wasser sofort verdunsten und damit eine Aufnahme unmöglich machen würde. Wassermoleküle spielen jedoch in Biomolekülen, insbesondere in Proteinen, eine so wichtige Rolle, dass sie sich mit der klassischen Elektronenmikroskopie nicht untersuchen lassen. Doch die Proteine gehören zu den wichtigsten Bausteinen von Zellen und übernehmen eine Vielzahl an Aufgaben. Detaillierte Kenntnisse ihrer Struktur sind nötig, um ihre Funktionsweise zu verstehen. Es ist den Wissenschaftlern der MLU gelungen, die Struktur eines Eisenspeicherproteins fast bis auf Atomebene aufzuklären. Die Ergebnisse wurden gerade erst veröffentlicht.

Apoferritin-Struktur bis auf 2,7 Ångström

In der Arbeitsgruppe von Dr. Panagiotis Kastritis, Gruppenleiter im Zentrum für Innovationskompetenz HALOmem und Juniorprofessor am Institut für Biochemie und Biotechnologie der MLU, wurde 2019 ein modernes Kryoelektronenmikroskop installiert. „Ein derartiges Mikroskop gab es in Halle vorher nicht“, so Kastritis. Das neue „Thermo Fisher Glacios 200 kV“, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert wurde, sei zwar nicht das Beste und Teuerste seiner Art. Dennoch gelang es Kastritis und seinen Mitarbeitern damit, die Struktur des Eisenspeicherproteins Apoferritin bis auf 2,7 Ångström (Å) genau aufzuklären, also beinahe bis aufs einzelne Atom. Ein Ångström entspricht einem zehntel Nanometer. Damit spielen sie nach eigenen Angaben in einer ähnlichen Liga wie Abteilungen mit weit teureren Geräten. Apoferritin wird häufig als Referenzprotein zur Bestimmung der Leistungsstärke entsprechender Mikroskope verwendet. Gerade erst berichteten zwei Arbeitsgruppen mit einer Auflösung von etwa 1,2 Å einen neuen Rekord. „Solche Werte können nur mit sehr leistungsstarken Geräten erzielt werden, die weltweit nur wenige Arbeitsgruppen besitzen. Unsere neue Methode ist für die Mikroskope gedacht, die es in vielen Laboren gibt“, erklärt Kastritis.

Auswertung der erhobenen Daten

Kryoelektronenmikroskope sind sehr komplexe Geräte. „Schon winzige Fehleinstellungen können die Bilder unbrauchbar machen“, so Kastritis. Es komme darauf an, sie richtig zu programmieren und dafür gebe es in Halle die fachliche Expertise. Mindestens ebenso wichtig sei jedoch die anschließende Auswertung der erhobenen Daten. „Das Mikroskop produziert mehrere tausend Bilder“, erklärt Kastritis. Mithilfe von Bildverarbeitungsprogrammen wird daraus eine 3D-Struktur des Moleküls rekonstruiert. In Kooperation mit Prof. Dr. Milton T. Stubbs vom Institut für Biochemie und Biotechnologie der MLU haben die Forscher eine neue Methode entwickelt, um ein hochauflösendes Proteinmodell erstellen zu können. Stubbs Arbeitsgruppe nutzt Röntgenkristallographie, eine andere Technik zur Aufklärung der Struktur von Proteinen, bei der diese jedoch kristallisiert werden müssen. Die Bildanalysetechnik ließ sich, in abgewandelter Form, auch mit den Aufnahmen aus dem Kryoelektronenmikroskop kombinieren. So können auch Ladungszustände und einzelne Wassermoleküle sichtbar gemacht werden.

Rechenkapazität wird benötigt

„Das ist eine attraktive Technik“, so Kastritis. Statt sehr teurer Mikroskope werde eine Menge Rechenkapazität benötigt, welche an der MLU vorhanden sei. Die Kryoelektronenmikroskopie erlaube es nun, Proteine komplementär zur Röntgenkristallographie abzubilden - insbesondere solche, die sich nur schwer kristallisieren lassen. Das ermögliche Kooperationen innerhalb und außerhalb der Universität zur Strukturanalyse von Proben mit medizinischem und biotechnologischem Potenzial.

Quelle: idw/Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg