Schneller zum Porträt des Proteins

16.12.2014
Foto: Forscher am Arbeitsplatz in der Synchrotronlichtquelle

Die PSI-Forscher Meitian Wang, Tobias Weinert und Vincent Olieric an ihrem Arbeitsplatz in der Synchrotronlichtquelle Schweiz SLS; © Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Alle Lebewesen, vom Bakterium bis zum Menschen, sind für die Verrichtung ihrer vitalen Funktionen auf Proteine angewiesen. Wie die Proteine ihre Aufgaben erfüllen, hängt von ihrer Struktur ab. Forschende des Paul Scherrer Instituts haben nun eine neuartige Methode entwickelt, um die Kristallstruktur von Proteinen mithilfe von Röntgenlicht schneller herauszufinden. Dies könnte in Zukunft auch die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen.

Bei der Abbildung eines Objekts spielt die Wellenlänge des Lichts eine entscheidende Rolle. Es stellt sich heraus, dass man grundsätzlich nur Details auflösen kann, deren Dimensionen ungefähr so groß sind wie die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Will man die Struktur einer Substanz, etwa eines Proteins, auf atomarer Skala auflösen, braucht man Licht mit sehr kurzer Wellenlänge: also Röntgenlicht.

Spätestens seitdem Anfang der 1950er Jahre mit Hilfe von Röntgenlicht die Aufschlüsselung der berühmten Doppelhelix-Struktur eines DNA-Moleküls gelang, steht die Tauglichkeit dieses Werkzeugs außer Frage. Die überwiegende Mehrheit der heute bekannten Proteinstrukturen sind mithilfe der Röntgenkristallographie bestimmt worden.

Dabei wird Röntgenlicht, wenn es auf die Atome des Proteins trifft, auf eine dem Protein eigene Art gebeugt. Aus dem Beugungsmuster, das von den Detektoren hinter der Probe detektiert wird, lässt sich die Kristallstruktur des Proteins berechnen. Besonders leistungsstark ist die Proteinkristallographie dank der hohen Qualität des Röntgenlichts, das an Synchrotronlichtquellen erzeugt wird. Zu den weltbesten Synchrotronanlagen zählt die Synchrotronlichtquelle Schweiz SLS des PSI, an der die neue Technik entwickelt und getestet worden ist.

Die PSI-Forschenden verbessern mit ihrer jüngsten Arbeit eine als „native SAD" (single-wavelength anomalous diffraction) bekannte Methode, die Anfang der 1980er Jahre zum ersten Mal angewendet wurde. Bevor man die Struktur von Proteinen mit anderen weiter verbreiteten Techniken bestimmen kann, müssen diese in der Regel aufwendig im Labor aufbereitet werden.

Die Aufbereitung besteht darin, schwere Atome in die Proteinstruktur einzubauen, die das Beugungssignal verstärken. Die native-SAD-Methode nutzt die in den Proteinen natürlich vorkommenden Schwefelatome sowie andere leichtere Atome zur Strukturbestimmung und kann daher auf den komplizierten und nicht immer machbaren Einbau fremder Elemente in das Protein verzichten. Bisher war jedoch ein Nachteil der Methode, dass damit nur die Strukturen von sehr kleinen Proteinen bestimmt werden konnten. Somit war die Methode nur in Einzelfällen anwendbar. Mit der weiter entwickelten Methode können nun 90 Prozent aller Proteinstrukturen aufgeklärt werden.

„Wir haben mit unserer Technik innerhalb von 30 Monaten über 20 Proteinstrukturen bestimmen können. In den letzten 20 Jahren hat man mit der nativen SAD-Technik nur 100 Strukturen aufgeklärt. Das zeigt, wie unsere Methode den Gesamtprozess beschleunigen kann“, sagt Tobias Weinert, Erstautor der Studie. Zu den Proteinstrukturen, die die PSI-Forschenden mit ihrer neuen Technik geknackt haben, zählt jene des Proteins T2R-TTL, eines sogenannten Tubulin-Moleküls, das im Skelett vieler Zellen vorkommt und diese mechanisch stärkt. „Das ist die größte und somit komplexeste bisher mit der nativen SAD-Technik aufgeklärte Proteinstruktur. Vor unserer Arbeit hielten es fast alle für unmöglich, diese Proteinstruktur in ihrem ursprünglichen Zustand mit nativer SAD zu bestimmen.“

Da die meisten Proteine kleiner und weniger komplex sind als Tubulin, heißt das, dass man nun die meisten Strukturen mit dieser verbesserten Methode lösen kann womit sie zum neuen Standard avanciert und Strukturbestimmungen von vielen Proteinen in Zukunft schneller, einfacher und kosteneffizienter macht.

COMPAMED.de; Quelle: Paul Scherrer Institut