Wissenschaft im Trend: Durch Kryo-Elektronenmikroskopie zur Beobachtung von Biomolekülen und zum Nobelpreis für Chemie

Jacques Dubochet, Honorarprofessor für Biophysik an der Universität Lausanne, sowie Joachim Frank, Professor an der Columbia University, und Richard Henderson, ein Wissenschaftler und Professor am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, wurden mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Die Auszeichnung erhielten sie für „(…) die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie zur hochauflösenden Bestimmung der Struktur gelöster Biomoleküle.“

Jahrzehntelange Vorarbeit bis zur Auflösung auf atomarer Ebene im Jahr 2013

Bei der ersten Analyse von biologischen Molekülen wurden traditionelle Mikroskopietechniken verwendet, die nur wenig über die Dynamik und die atomare Struktur von Proteinen verrieten. Die Untersuchung lebender Zellen unter Elektronenmikroskopen war nicht möglich, da die Wissenschaftler befürchteten, dass die Elektronenstrahlen das empfindliche biologische Material zerstören würden. Die andere Methode, die Röntgenkristallographie, konnte nur zur Untersuchung statischer Proben angewandt werden.

Zwischen 1975 und 1986 wurden die Techniken weiterentwickelt. Joachim Frank machte die Technologie allgemein anwendbar, indem er ein Bildverarbeitungsverfahren entwickelte, mit dem die zweidimensionalen, unscharfen Bilder des Elektronenmikroskops in ein hochauflösendes 3D-Modell konvertiert wurden. In den frühen 1980er Jahren leitete Jacques Dubrochet die Entwicklung eines Schnellgefrierverfahrens, durch das die ursprüngliche Form der Biomoleküle beibehalten werden konnte. Professor Dubrochet war auch Teil des EU-finanzierten Projekts 3D-EM (2004–2009), das von der EU Fördergelder in Höhe von 10 Millionen Euro erhalten hatte und darauf gerichtet war, neue Ansätze für Elektronenmikroskopie zur Erforschung von Proteinkomplexen und des supramolekularen Zellaufbaus zu entwickeln.

1990 revolutionierte Richard Henderson die Kryo-EM-Technik mit besseren Detektoren für Elektronenmikroskope und besserer Bildanalysesoftware, mit der dreidimensionale Bilder eines Proteins mit Auflösung auf atomarer Ebene erstellt werden können. Professor Henderson war ebenso Teil des EU-finanzierten Projekts INSTRUCT (2008–2011), das von der EU mit 4,5 Millionen Euro unterstützt wurde, um den Aufbau einer Infrastruktur für strukturbiologische Forschungen zu fördern.

Seitdem wurde die Auflösung des Elektronenmikroskops optimiert und grundlegend verbessert – so wurden aus formlosen Klecksen Proteine mit einer Auflösung auf atomarer Ebene.

Der Himmel ist die Grenze

Heutzutage kann die Kryo-Elektronenmikroskopie Wissenschaftlern ermöglichen, für das menschliche Auge bis dato unsichtbare Strukturen im atomaren Detail zu untersuchen: von 3D-Bildern von dem Enzym, welches das Amyloid der Alzheimer-Krankheit produziert, bis hin zur Oberfläche des Zika-Virus. Wissenschaftler können nun sogar Filmsequenzen von sich gerade entfaltenden biologischen Vorgängen zusammensetzen, indem sie Schnappschüsse desselben Systems zu verschiedenen Zeitpunkten festhalten.

Die Nobelversammlung am Karolinska-Institut erklärt seine Auswahl und die allgemeine Bedeutung für die Menschheit:

„Ein Bild ist ein Schlüssel zum Verständnis. Wissenschaftliche Durchbrüche sind oft auf der erfolgreichen Visualisierung von Objekten gestützt, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Die biochemischen Landkarten sind jedoch seit Langem voller Lücken, da es mit der verfügbaren Technologie schwierig gewesen ist, Bilder zu generieren, die viel von der molekularen Maschinerie des Lebens einfangen. Die Kryo-Elektronenmikroskopie ändert all das. Forscher können nun Biomoleküle mitten in der Bewegung einfrieren und noch nie zuvor gesehene Vorgänge visualisieren, was sowohl für das Grundverständnis der Chemie allen Lebens als auch für die Medikamentenentwicklung entscheidend ist.“