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Strukturbiologie: Molekulare Schnappschüsse

Mit Röntgenlasern erhalten Physiker einmalige Einblicke in den Ablauf biochemischer Reaktionen. So beobachten sie beispielsweise, wie Proteine ihre Form in billiardstel Sekunden an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen.
Ein Biomolekül aus einem Strahl von Nanokristallen, kurz bevor es durch Laserlicht angeregt wird.

Im Dezember 2009 haben Wissenschaftler in einem unterirdischen Labor nahe Palo Alto in Kalifornien letzte Vorbereitungen für eine Reihe ganz besonderer Explosionen getroffen. Durch Sprengungen winziger Proteinkristalle wollten sie eines der am besten gehüteten Geheimnisse der Pflanzenwelt lüften: wie bei der Fotosynthese aus Sonnenlicht chemische Energie entsteht.

Die Geschichte spielte am kalifornischen SLAC National Accelerator Laboratory am Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS). Dort werden Elektronen in einem drei Kilometer langen Beschleunigertunnel auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht und mit Magnetfeldern abgelenkt. Das erzeugt intensive Röntgenblitze. Forscherteams hatten tagelang an der Versuchsanordnung gearbeitet. Eine Gruppe justierte Injektoren, die winzige Proteinkristalle in einen solchen Röntgenstrahl schießen würden. Eine andere belud die Injektoren mit frischen Kristallen eines Proteinkomplexes namens Photosystem I, der eine Schlüsselfunktion in der Fotosynthese einnimmt. Schließlich trafen die Kristalle in das energiereiche Röntgenlicht. Die Strahlung zerfetzte die Proteine – doch zuvor gelangen den Wissenschaftlern Schnappschüsse der atomaren Struktur.

Inzwischen untersuchen Biophysiker mit der Methode zelluläre Vorgänge in kleinstem Maßstab und von Grund auf neu. Dazu setzen sie rasche Folgen solcher Bilder zu Filmen zusammen. Jedes von ihnen wurde dabei in we­nigen Femtosekunden, also billiardstel (10-15) Sekunden aufgenommen ...

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  • Quellen

Chapman, H. N. et al.: Femtosecond X-Ray Protein Nanocrystallography. In: Nature 470, S. 73-77, 2011

Fromme, P.: XFELs Open a New Era in Structural Chemical Biology. In: Nature Chemical Biology 11, S. 895-899, 2015

Spence, J. C. H. et al.: X-Ray Lasers for Structural and Dynamic Biology. In: Reports on Progress in Physics 75, 102601, 2012

Waldrop, M. M.: X-Ray Science: The Big Guns. In: Nature 505, S. 604-606, 2014