Einblick in die Welt der Proteine

Stockholm. Ohne Proteine gibt es keine Zellen, kein Leben. Doch wie funktionieren sie eigentlich, kann man das irgendwie sichtbar machen? Der Nobel-Preis für Chemie geht dieses Jahr an Joachim Frank (Deutschland/USA; kleines Bild oben), Richard Henderson (Großbritannien; Bild unten) und den Schweizer Jacques Dubochet für die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie.

Wohl jeder hat in der Schule schon einmal am Mikroskop gesessen und dabei Pantoffeltierchen beim Schwimmen oder auch Zellkerne in einer gefärbten Zwiebelhaut betrachtet. Ein faszinierender Einblick in den Mikrokosmos, den man aber auch noch detaillierter gestalten kann. Denn alles Leben basiert wesentlich auf Proteinen, von denen - wie man mittlerweile weiß - mehr als zwei Drittel nicht etwa allein, sondern gemeinsam in Komplexen agieren. Die Funktionsweise dieser "Eiweißmaschinen" zu verstehen ist eine große Herausforderung der modernen Biologie - und dank der Kryo-Elektronenmikroskopie ist es dabei in den letzten Jahren zu großen Fortschritten gekommen.

Ausgangstechnik dieses Verfahrens ist die Elektronenmikroskopie, wie sie 1931 vom deutschen Ingenieur Ernst Ruska entwickelt wurde, der dafür mehr als 50 Jahre später (!) ebenfalls den Nobelpreis erhielt. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass Elektronen nicht nur winzige Körperchen, sondern auch Wellen sind, die man mit Hilfe magnetischer Linsen abbilden kann. Dadurch lassen sich viel bessere Vergrößerungen erzielen als beim traditionellen Lichtmikroskop. Dessen Auflösung endet etwa bei 200 Nanometern (Milliardsteln Meter) - das Elektronenmikroskop hingegen schafft mittlerweile etwa 0,1. Damit kann man auch Moleküle und sogar Atome abbilden.

Und auf diese Weise ließen sich prinzipiell auch Proteine darstellen. Das Problem ist jedoch: Bei der herkömmlichen Elektronenmikroskopie muss man die zu untersuchende Probe einer langwierigen Präparation unterziehen, um das in ihr enthaltene Wasser Stück für Stück durch Kunststoff zu ersetzen, denn ansonsten würde das Bild regelrecht verwackeln. Wendet man dieses Verfahren nun bei den empfindlichen Eiweiß-Komplexen an, verändern sie ihre Struktur, und man hat letzten Endes ein Bild, das mit der Realität nichts mehr zu tun hat.

Daher werden die Proben in der Kryo-Elektronenmikroskopie, wie schon die Vorsilbe Kryo (aus dem griechischen "kryos = kalt) erahnen lässt, schockgefroren. Das enthaltene Wasser wird zu amorphem (gestaltlosem) Eis, und die Proteine behalten ihre ursprüngliche Struktur. Alles wohlgemerkt in 3D. Denn wie bei der Computer-Tomographie werden zig Querschnittbilder geschossen, die dann per Computer zu einem dreidimensionalen Objekt rekonstruiert werden.

Mittels der Kryo-Elektronenmikroskopie lassen sich also Protein-Komplexe in ihrem Ist-Zustand abbilden. Was für die mikrobiotische Forschung geradezu ein Quantensprung ist. Denn dadurch konnte man beispielsweise schon beobachten, wie Salmonellen eine Zelle entern oder sich Bakterien gegen Antibiotika rüsten. Auch das Zika-Virus konnte mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie bereits entschlüsselt werden, und es gibt sogar eine Verbindung zum Medizin-Nobelpreis vom Montag. Denn die neue Mikroskopier-Methode hat auch geholfen, die physiologischen Vorgänge unserer biologischen Uhr zu verstehen.