Allgemein, Chemie

Entdeckung der Kryo-Elektronenmikroskopie – Der Nobelpreis in Chemie 2017

Der Nobelpreis für Chemie wird 2017 verliehen an Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson

„for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution.“

Wie ihr es bereits von der Medizin und Physik kennt, möchte ich euch heute einmal die Entdeckung und auch die Wissenschaftler selbst kurz vorstellen!

Wie sieht es eigentlich tief in uns drinnen aus? Warum arbeiten Zellen, wie sie es eben tun? Wie sehen sie überhaupt aus? Und wie sind Körper eigentlich auf atomarer Ebene aufgebaut? Das sind alles spannende Fragen und bei den meisten muss man wohl ehrlich sagen, dass man keine wirklich genaue Antwort darauf hat. Die Biologen können uns zwar schon lange eine grobe Idee geben, aber je tiefer man hinein geht in die Zellen, desto unschärfer wird das Bild – im wahrsten Sinne des Wortes. Genau diesem Umstand haben die drei Chemienobelpreisträger durch die Entwicklung des Kryo-Elektronenmikroskops ein ganzes Stück entgegen gewirkt.

Bereits in den 1930er Jahren wurden Elektronenmikroskope entwickelt, bei denen die Proben nicht mit Licht, sondern mit Elektronen beschossen wurden. Das hatte den Vorteil, dass Elektronen eine viel kleinere Wellenlänge haben und so eine deutlich höhere Auflösung erreicht werden konnte. Theoretisch hätte man mit einem Elektronenmikroskop Zellen bis auf ihre Molekülstruktur sichtbar machen können. Allerdings gab es ein Problem: Ein Elektronenmikroskop funktioniert nur innerhalb einer Vakuumkammer, weil selbst die Luft schon den Elektronenstrahl beeinflussen würde. In einer Vakuumkammer verdampft aber sofort das gesamte Wasser, was bei Proben von Zellen verheerend ist. Das kann man sich anschaulich so vorstellen, als wenn man das Innere einer Weintraube untersuchen möchte, aber dann plötzlich nur noch eine Rosine vor sich liegen hat. Sicherlich auch spannend, aber die Zellstruktur ist dann doch eine andere. Auch der Elektronenstrahl an sich ist (oder besser: war) ein Problem für Zellen, denn sie zerstören sie und deswegen war die Elektronenmikroskopie vor allem zum Studium von nicht-lebendigem Material zu gebrauchen.

Richard Hernderson untersuchte in den 70er Jahren ein Protein, was er mit den Alternativen zu dieser Zeit nicht untersuchen konnte, also wendete er sich der Elektronenmikroskopie zu und schaffte es schließlich, mit zwei Tricks, ein brauchbares Bild von seinem Protein zu bekommen: Zum einen schützte er die Probe mit einer Glukoselösung vor dem sofortigen Vertrocknen, zum zweiten machte er nicht eine Aufnahme mit einem starken Elektronenstrahl, sondern viele Aufnahmen mit schwächeren Elektronenstrahlen aus verschiedenen Winkeln. Aus diesen Einzelaufnahmen konnte er dann ein 3D-Modell berechnen, was zu dieser Zeit geradezu einer Revolution gleichkam. Ab diesem Zeitpunkt hatte er sich in den Kopf gesetzt, eine Möglichkeit zu finden, ein Elektronenmikroskop so zu verwenden, dass es Aufnahmen schaffte, die bis auf die Atome in den Zellen genau wären. Im Jahre 1990 hatte er dieses Ziel dann tatsächlich erreicht! Allerdings blieb die Frage, ob sein Verfahren auf allgemeine Proben anwendbar wäre oder nur mit speziellen Proteinen funktionieren würde.

An dieser Stelle tritt der zweite Preisträger auf die Bühne: Joachim Frank. Dieser hatte bereits 1975 eine theoretische Strategie erarbeitet, wie es möglich wäre, ungeordnete Proben zu untersuchen. Dabei ließ er einen Computer zwischen Proteinen und Hintergrund unterscheiden und diese Proteine nach Gruppen sortieren. Der Algorithmus wurde 1981 komplettiert (nebenbei: wenn man sich überlegt, wie früh das in der Computerzeit ist, ist diese Leistung noch einmal erstaunlicher). Indem er anschließend viele hochauflösende Einzelbilder miteinander kombinierte, entstand ein ziemlich genaues 3D-Bild. Dieser Schritt war Mitter der 80er komplettiert. Eine ganz ähnliche Methode wird übrigens auch bei der Tomographie benutzt.

Wir haben also jetzt die Elektronenmikroskopie, die grundsätzlich sehr gut Aufnahmen machen kann, die aber problematisch für alle Proben ist, in denen Wasser enthalten ist (was praktisch für so gut wie alle biochemischen Stoffe gilt). Außerdem haben wir ein Bildverarbeitungsprogramm, was uns erlaubt, auch ungeordnete Proteine zu untersuchen. Was wir brauchen, ist also eine Möglichkeit, die Methodik der Elektronenmikroskopie auf Proben mit Wasser anzuwenden. Genau an dieser Stelle kommt der dritte Preisträger ins Spiel: Jacques Dubochet.

Dubochet war 1978 an das Europäische Molekularbiologie Labor in Heidelberg gekommen, um das Problem der austrocknenden und zerstörten Proben zu lösen. Zuvor hatten einige Wissenschaftler versucht, ihre Proben vor der Untersuchung einzufrieren, weil Eis langsamer verdampft. Allerdings hatten die gebildeten Eiskristalle eine Untersuchung unmöglich gemacht. Dubochet gelang es mit einer neuen Technik, die Proben auf ein feines Sieb zu geben und diese bei fast 200 °C unter Null so schnell gefrieren zu lassen, dass sich keine Kristalle im Eis bilden. Diesen Zustand nennt man amorphes Eis, weil es scheinbar ein Festkörper ist, chemisch gesehen ist es allerdings flüssig, weil sich die Moleküle nicht ausgerichtet haben. Genau das war der erhoffte Durchbruch!

In den letzten Jahren und vor allem ab 2013 wurden die Auflösungen immer besser. Dass die Untersuchung von biologischen Proben aber überhaupt erst möglich wurde, verdanken wir den drei Chemienobelpreisträgern und ihrer gemeinsamen Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie mit allem, was dazu nötig ist.

Und warum ist diese Entdeckung so bedeutend? Das ist immer eine gute Frage und gerade in diesem Fall kann man die Sinnhaftigkeit der Entdeckung ziemlich konkret machen: Zum einen erleichtert und erweitert die Entdeckung maßgeblich die Grundlagenforschung der Biochemie. Darüber hinaus geben die hochauflösenden Bilder aber auch so genaue Bilder oder teilweise ganze Filme aus dem Inneren von Zellen, dass sie extrem wichtig für die Medizin und Medikamenentwicklung sein werden. Wenn man genau erkennen kann, welche Aufgaben konkrete Proteine haben und wie sie diese erfüllen, kann man auch viel besser verstehen, wie man sie beispielsweise im Falle von Viren ausschalten kann. Das ist ein unfassbar spannendes Forschungsfeld!

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Richard Henderson wurde 1945 in Edinburgh, Schottland, geboren. Er machte seinen Ph.D. 1969 an der Cambridge University, UK. Danach war er als PostDoc in Yale, um danach wieder nach Cambridge zurückzukehren, wo er bis 2006 arbeitete.
Joachim Frank wurde 1940 in Siegen, Deutschland, geboren. 1970 machte er seinen Doktor an der TU München. Er lebt seit den 70er Jahren in den USA, wo er eine Professur an der Columbia University, New York, innehat. Er bloggt übrigens und schreibt fiktionale Texte.

Jacques Dubochet wurde 1942 in Aigle, Schweiz, geboren. Er promovierte 1973 an der Universität Genf und Basel. Bis 2007 war er Professor an der Universität Lausanne.
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Fun Fact: Auch der Erfinder des Elektronenmikroskops Ernst Ruska wurde für seine Erfinung mit dem Nobelpreis geeihrt, 1986 war das.

Alle anderen Artikel zur Nobelpreiswoche findet ihr hier im Überblick!

Wer sich schon einmal weiter informieren möchte, dem empfehle ich diese beiden sehr guten Artikel auf der Nobelpreisseite: Eine populärwissenschaftliche Sicht und eine deutlich wissenschaftlichere Abhandlung. Beide sind sehr lesenswert und ich habe sie beide als Informationsquelle für diesen Artikel verwendet.

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2 Gedanken zu „Entdeckung der Kryo-Elektronenmikroskopie – Der Nobelpreis in Chemie 2017“

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