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Was ist… Kryo-Elektronenmikroskopie?

Bis in die 1980er Jahre gab es im Prinzip zwei Möglichkeiten, Proteine zu untersuchen: Röntgenstrahlen und NMR (nuclear magnetic resonance ). Beide Methoden hatten allerdings starke, natürliche Beschränkungen und so brauchte man dringend eine weitere und bessere Möglichkeit, Proteine zu untersuchen, ohne sie zu beschädigen und zu verfälschen. Eine weitere Methode zu der Zeit, war die Elektronenmikroskopie. Allerdings kam sie eigentlich nicht für Moleküle und Proteine infrage. Elektronenmikroskope funktionieren vom Prinzip her genau wie normale Mikroskope, allerdings wird hier einen Elektronenstrahl statt des Lichtstrahls durch die Probe geschickt. Elektronen haben eine deutlich kleinere Wellenlänge, was eine Genauigkeit bis auf die Größe von Atomen möglich macht. Was diese Methode allerdings unbrauchbar für die Untersuchung von Proteinen machte, war, dass Elektronenmikroskope unbedingt ein Vakuum brauchen. Steckt man aber nun ein Biomolekül in Vakuum, verdampft das gesamte Wasser sofort und trocknet die Probe komplett aus, was wiederum den Effekt hat, dass die natürliche Struktur vollkommen verloren geht. Diesem Problem begegnete Richard Henderson in den 1970er Jahren.

Den genauen Weg, wie es von dort mit Henderson und seinen Proben weiterging, habe ich euch ja bereits gestern beschrieben, deswegen konzentriere ich mich heute mehr auf die Frage, wie genauer die Kryo-Elektronenmikroskopie funktioniert. Dafür sind zwei Erfindungen und Entwicklungen ganz entscheidend:

Zuerst entwickelte Joachim Frank ein Bildverarbeitungsprogramm, was es erlaubte, auch Proteine zu untersuchen, die nicht-geordnet waren. In diesem Kontext heißt das, dass die Proteine nicht alle gleich gerichtet waren, sondern beispielsweise einige schief in der Lösung hingen, einige senkrecht etc. Wird nun eine Probe von einem Elektronenstrahl getroffen, hinterlassen die Proteine Abdrücke (ähnlich einem Schatten). Frank schrieb ein Computerprogramm, was es schaffte, Proteine vom Hintergrund zu unterschieden und die Proteine in passende Gruppen unterteilte. Werden nun viele verschiedene Bilder aus verschiedenen Winkeln ausgewertet, kann das Computerprogramm aus diesen 2D-Bildern ein 3D-Bild errechnen und zeigt so, wie das Protein dreidimensional aussieht. Genau so ein Verfahren wird heutzutage in vielen verschiedenen Bereichen angewendet.

If you have them in ice, or if you have them without water the molecules, like fish, are dead.

Das ist die anschauliche Erklärung von Jacques Dubochet, warum seine Erfindung für die Untersuchung der biochemischen Moleküle so entscheidend war. Man musste verhindern, dass die Proben unter der Elektronenmikroskopie zerstört würden, bevor sie untersucht werden konnten. Entscheidend war die Idee, dass man die Proben zwar gefrieren müsste, das in der Probe enthaltende Wasser aber nicht kristallisieren dürfte. Was ein wenig wie die Quadratur des Kreises klingt, gelang Dubochet durch einen Trick tatsächlich! Er trug dazu die Proben auf ein feines Sieb auf und steckte dieses dann in Ethan von fast 200 °C unter Null. Das Ethan seinerseits wurde von flüssigem Stickstoff gekühlt. Durch dieses Vorgehen kühlte die Probe so schnell ab, dass sich keine Kristalle bilden konnten. Es bildet sich dabei sogenanntes amorphes Eis – das bedeutet, dass es scheinbar ein Festkörper ist, chemisch gesehen ist es allerdings flüssig, weil sich die Moleküle nicht ausgerichtet haben. Durch diesen Trick können nun auch die Proben untersucht werden, weil das Wasser weiterhin durchsichtig wie Glas ist und keine Kristalle im Weg sind. Die Schnelligkeit des Runterkühlens hat außerdem den Vorteil, dass man die Proteine wirklich bei ihrer Arbeit beobachten kann, weil man sie quasi mitten in der Aktion erstarren lässt.

Werden nun die Erkenntnisse und Vorgehen alle miteinander kombiniert, erhält man die komplette Kryo-Elektronenmikrospie, die dieses Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wird.

Eines der Proteine, was die Innere Uhr reguliert. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

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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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