Proteine ​​auf frischer Tat fangen | 2020

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Anonim

In einem Straßencafé sitzen und Menschen beim Bummeln zusehen: Die meisten von uns sind sich nicht bewusst, dass in unserem Körper ständig komplexe Prozesse ablaufen, die scheinbar einfache Wahrnehmungen wie das Sehen überhaupt erst ermöglichen. Nichtsdestotrotz scheint Vision aus einem bestimmten Grund eine unmittelbare Erfahrung zu sein, die uns direkt gehört: Die damit verbundenen Prozesse laufen so schnell ab, dass wir sie einfach nicht bemerken. Wir bemerken zwar einen Wimpernschlag, aber biologische Prozesse können bis zu einer Milliarde Mal schneller ablaufen, insbesondere wenn es sich um Licht handelt.

Testmethoden an einem einfachen Modell

Forscher auf der ganzen Welt verwenden das Protein Bacteriorhodopsin, um solche ultraschnellen Prozesse zu untersuchen. Es hat eine Schlüsselfunktion in bestimmten einfachen Mikroben, vor allem in der Gruppe der Halobakterien. Wenn diesen kleinsten Lebewesen der Sauerstoff ausgeht, nutzen sie stattdessen Licht als Energiequelle. Bacteriorhodopsin ist ein Membranprotein - das heißt, es sitzt in der Außenhaut der Zelle. Wenn Licht darauf fällt, ändert sich die Form des Proteins und der Prozess der Umwandlung von Licht in chemische Energie beginnt.

Für die Forscher ist dies ein wichtiges Modellprotein, an dem sie Methoden testen können, die später auf komplexere Membranproteine ​​angewendet werden können - wie beispielsweise das Rhodopsin "großer Bruder" von Bacteriorhodopsin, das dafür sorgt, dass unsere Augen ihre Ewigkeit schnell aufnehmen können -ändernde Umgebung.

Erfassung ultraschneller biologischer Prozesse

Die Forscher haben lange versucht, die ultraschnellen Prozesse, die tagtäglich in Proteinen ablaufen, im Detail zu verstehen. Erstmals möglich wird dies mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern wie SwissFEL, die derzeit am Paul-Scherrer-Institut PSI fertiggestellt werden: Diese Anlagen erzeugen eine schnelle Folge von extrem kurzen und intensiven Röntgenlichtpulsen , mit denen die einzelnen Schritte ultraschneller Prozesse beleuchtet werden können, um sozusagen als molekularer Film gerendert und betrachtet zu werden.

Um das Potenzial von Röntgenlasern mit freien Elektronen optimal nutzen zu können, entwickeln PSI-Forscher neue experimentelle Methoden. Die bisher vielversprechendste Methode ist die serielle Kristallographie. Es wurde speziell für Röntgenlaseranwendungen mit freien Elektronen entwickelt, kann aber auch an Einrichtungen wie der Swiss Light Source SLS des PSI zur Untersuchung der Struktur von Biomolekülen eingesetzt werden.

Theoretisch ist die Idee, wie mit der seriellen Kristallographie lichtaktivierte Proteine ​​wie Bacteriorhodopsin in Aktion untersucht werden können, einfach. Viele identische Proben werden hergestellt, ein optischer Laser löst den gewünschten Prozess in den Proben in genau kontrollierten Zeitintervallen aus und die Proben werden einzeln in den Strahl von Röntgenlaserpulsen eingekoppelt. Die Impulse durchleuchten dann die einzelnen Proben. Da aus dem abgelenkten Licht auf den Zustand des Proteins in einem bestimmten Prozessschritt geschlossen werden kann, werden die einzelnen Schritte bildweise erfasst. Diese können dann zu einem Film zusammengefügt werden.

Der Teufel steckt im Detail - im Forschungsobjekt

So selbstverständlich die Theorie auch sein mag, in der Praxis müssen sich die Forscher mit der Unkooperativität ihrer Forschungsobjekte auseinandersetzen. Damit das Röntgenlicht ausreichend stark abgelenkt wird, muss die Probe in Kristallform präpariert werden. Und um ultraschnelle Prozesse zu lösen, war bisher eine große Anzahl solcher Proteinkristalle erforderlich. Ihre Herstellung ist jedoch sehr zeitaufwendig und kostenintensiv - insbesondere für die wichtige Gruppe der Membranproteine, zu denen das bereits erwähnte "Lichtsensor" -Rhodopsin gehört.

In der Freie-Elektronen-Laser-Anlage LCLS an der Stanford University in Kalifornien hat ein internationales Team unter der Leitung des PSI gezeigt, wie auch diese schwierigen Proteine ​​für Studien zugänglich gemacht werden können. "Unser Ziel war es, die Anzahl der benötigten Kristalle drastisch zu reduzieren", sagt Przemyslaw Nogly, der im Rahmen des schweizerisch-europäischen PSI FELLOW-Programms eine führende Rolle in dem Projekt spielte.

Mit einem speziellen Injektor injizierten die Forscher Bakteriorhodopsinkristalle in den Röntgenstrahl. Bei diesem Injektor sind die nur wenige Mikrometer großen Kristalle in eine extrem viskose Flüssigkeit eingebettet. Tatsächlich ist es so viskos, dass der Injektor weniger als zwei Mikroliter pro Minute in den Röntgenstrahl einlässt - das sind weniger als zwei Millionstel Liter. "Auf diese Weise konnten wir die Trefferrate der Röntgenpulse entscheidend erhöhen und verlieren weniger Kristalle als mit anderen Methoden", strahlt Nogly. Frühere Methoden erforderten mehrere Gramm der wertvollen Proteinkristalle, jetzt reichen jedoch nur noch wenige Milligramm.

Dass Experimente mit dieser Methode bei Raumtemperatur durchgeführt werden können, ist ein weiterer entscheidender Vorteil. "Es ist schwer, einen guten Film zu produzieren, wenn die Schauspieler erstarrt sind", witzelt Standfuß, unter dessen Leitung das Experiment in Stanford durchgeführt wurde.

Die Forscher nahmen den in ihrem Experiment verwendeten Injektor mit nach Stanford. Auf diese Weise konnten sie wertvolle Erfahrungen sammeln, denn dieser Injektor ist für den Einsatz bei SwissFEL vorgesehen, wo 2017 die ersten Pilotversuche beginnen. "Es ist wichtig, dass wir die für SwissFEL geplanten Methoden im Vorfeld auf Vorhandenes testen können Röntgenlaser ", sagt Christopher Milne. Für SwissFEL entwickelt er die Experimentierstation, an der nach Inbetriebnahme der Anlage die serielle Kristallographie eingesetzt wird. Er nahm auch am Stanford-Experiment teil. "Dadurch können wir die Versuchsstationen von Anfang an so optimieren, dass sie mit den neuesten Methoden kompatibel sind."

Gleiches gilt für die Biologen. Sie wollen ihr Studium am SwissFEL mit den bestmöglichen Forschungsinstrumenten beginnen. Und sie können es kaum erwarten, neben ihrem Modellprotein auch andere Proteine ​​in Aktion zu sehen. "Mit Röntgenlasern mit freien Elektronen wie SwissFEL können wir endlich einige der schnellsten biologischen Prozesse bis ins kleinste Detail verfolgen", sagt Standfuß.