Neue Methode könnte Forschung weltweit beflügeln

Strukturelle Veränderungen eines Moleküls in Echtzeit sehen

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine neue Untersuchungsmethode entwickelt, die die Analyse von zellulären Vorgängen deutlich effektiver machen könnte als bisher. Mit dieser Methode haben sie jetzt herausgefunden, wie die Energiegewinnung an Zellmembranen funktioniert.

Tobias Weinert, Biochemiker am PSI, mit dem Versuchsaufbau für die «Anregungs-Abfrage»-Kristallografie an der SLS: Aus einem Injektor fließt ein 50 Mikrometer dünner Strom einer zahnpastaartigen Masse mit den darin gewachsenen Proteinkristallen. Eine kleine Laserdiode, vergleichbar mit einem herkömmlichen Laserpointer, wird über Spiegel und Linsen geleitet und auf den gleichen Punkt fokussiert, auf den dann auch der Röntgenstrahl der SLS trifft (nicht im Bild). Für das Foto wurde der Laser durch Flüssigstickstoff sichtbar gemacht. Im Versuch wird dann der Laser für einen kurzen Moment aktiviert, gefolgt von den Röntgenaufnahmen für den molekularen Film. © Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Strukturelle Änderungen in Proteinen sind in allen Lebewesen für vielerlei biochemisch gesteuerte Funktionen verantwortlich, zum Beispiel der Energiegewinnung an Zellmembranen. So kommt das Protein Bacteriorhodopsin in Mikroorganismen vor, die an der Oberfläche von Gewässern leben. Angeregt durch Sonnenlicht pumpt das Molekül positiv geladene Teilchen, Protonen, durch die Zellmembran vom Zellinneren nach außen. Dabei verändert es fortwährend seine Struktur.

"Molekularen Film" aufgezeichnet

Einen Teil dieses Vorgangs konnten Forschende des PSI bereits durch Experimente an Freie-Elektronen-Röntgenlasern (FEL) wie dem SwissFEL aufklären. Nun ist es ihnen gelungen, auch den noch unbekannten Teil des Prozesses in einer Art molekularem Film aufzuzeichnen. Hierfür entwickelten sie eine Methode für die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS weiter, die vorher nur an den FEL anwendbar war. Die Studie unterstreicht die Synergie zwischen den Analysemöglichkeiten an den beiden Großforschungsanlagen SwissFEL und SLS am PSI.

«Mit der neuen Methode an der SLS können wir nun auch den letzten Teil der Bewegung des Bacteriorhodopsins nachvollziehen, bei dem die Schritte im Millisekundenbereich liegen», erklärt Tobias Weinert, Erstautor der Studie. «Mit Messungen an den FEL in den USA und Japan hatten wir bereits vor der Inbetriebnahme des SwissFEL die ersten beiden Teilprozesse gemessen», so Weinert. «Diese laufen sehr schnell, innerhalb von Femto- bis Mikrosekunden ab.» (Eine Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde.)

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Schnappschüsse von Proteinbewegungen

Um solche Prozesse beobachten zu können, verwenden die Forschenden die sogenannte «Pump-Probe» oder «Anregungs-Abfrage»-Kristallografie. Mit dieser Methode können sie Schnappschüsse der Proteinbewegungen aufnehmen, die sie dann zu Filmen zusammensetzen. Für die Experimente werden Proteine in Kristallform gebracht. Ein Laserstrahl, der das Sonnenlicht imitiert, löst die Bewegungskette im Protein aus. Röntgenstrahlen, die danach auf die Probe treffen, erzeugen Beugungsbilder, die von einem hochauflösenden Detektor aufgenommen werden. Computer berechnen daraus dann ein Bild der Proteinstruktur zum jeweiligen Zeitpunkt.

Der aus den Messungen an der SLS entstandene Film zeigt, welche Strukturveränderungen im Molekül Bacteriorhodopsin in den nächsten 200 Milisekunden passieren, nachdem es durch Licht angeregt wurde. Damit ist nun ein kompletter sogenannter «Photozyklus» des Moleküls aufgeklärt.

Bacteriorhodopsin fungiert als biologische Maschine, die Protonen vom Inneren der Zelle durch die Membran nach aussen pumpt. Dadurch entsteht ein Konzentrationsgefälle an der Zellmembran. An ihrer Außenseite befinden sich mehr Protonen als an ihrer Innenseite. Dieses Gefälle nutzt die Zelle, um Energie für ihren Stoffwechsel zu gewinnen, indem sie den Protonen an anderer Stelle erlaubt, ihre ausserhalb und innerhalb unterschiedlichen Konzentrationen auszugleichen. Dabei produziert sie ATP, einen universellen Energieträger in Lebewesen. Anschließend stellt Bacteriorhodopsin das Konzentrationsgefälle wieder her.

«Bei der neuen Studie konnten wir nun die größten je in Echtzeit aufgenommenen, strukturellen Veränderungen eines Moleküls sehen», mit «groß» meint der Wissenschaftler neun Ångström, das ist eine Million Mal feiner als ein menschliches Haar dick ist. Durch diese strukturellen Änderungen des Proteins öffnet sich eine Lücke im Protein, in der sich eine Kette von Wassermolekülen bildet, die für den Protonentransport durch die Zellmembran verantwortlich ist. «Diese Wasserkette hat noch niemand vor uns direkt beobachtet», freut sich der Biochemiker.

Neue Methode könnte Forschung weltweit beflügeln

Diese Beobachtungen waren nur dadurch möglich, dass die vorher am SwissFEL angewandte Methode nun auch für die Nutzung an der SLS modifiziert wurde, und dank des neuen hochauflösenden und schnellen "Eiger"-Detektors an der SLS. Die neue Untersuchungsmethode mithilfe von Synchrotrons wie der SLS wird die Forschung weltweit beflügeln, ist sich Weinert sicher. «Forschende können die neue Methode nutzen und so viel effizienter sein, da es weltweit viel mehr Synchrotrons gibt als Freie Elektronenlaser. Ausserdem benötigt man dafür weniger Proteinkristalle als es für Experimente an den FEL bedarf», ergänzt Weinert.

Für die sehr schnell ablaufenden, molekularen Prozesse und um besonders scharfe Bilder und genaue Ergebnisse zu erhalten, sind die Forschenden dennoch auf den SwissFEL angewiesen. «Die Abläufe zu Beginn des Photozyklus passieren innerhalb von Femtosekunden. Solche schnellen chemischen Reaktionen zu beobachten ist nur an den FEL möglich.» Zudem können an den FEL Strukturen mit höherer Auflösung aufgenommen werden. Denn dadurch, dass am Linearbeschleuniger so viele Photonen auf einmal auf die Probe treffen, kann der Detektor ein extrem scharfes Bild aufnehmen.

Weinert betont die Synergie der beiden Großforschungsanlagen: «Am SwissFEL steht nur wenig Strahlzeit zur Verfügung. Mit den Messungen an der SLS können wir vorher sicherstellen, dass unser Experiment am SwissFEL erfolgreich sein wird. So wird dessen Effizienz gesteigert».

Die Ergebnisse der Studie veröffentlichen die Forschenden im Fachjournal Science.

Originalveröffentlichung:
Proton uptake mechanism in bacteriorhodopsin captured by serial synchrotron crystallography
Tobias Weinert, Petr Skopintsev, Daniel James, Florian Dworkowski, Ezequiel Panepucci, Demet Kekilli, Antonia Furrer, Steffen Brünle, Sandra Mous, Dmitry Ozerov, Przemyslaw Nogly, Meitian Wang, Jörg Standfuss
Science, 5. Juli 2019. DOI: 10.1126/science.aaw8634

Quelle: PSI

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