Kristallografie: Kriställchen im Tröpfchen
Für den scharfen Blick auf ein Protein brauchen Wissenschaftler Kristalle - eine alles andere als leichte Aufgabe. Ein winziger Chip mit Miniaturkanalsystem leistet wertvollen Beistand.
Die räumliche Struktur eines Proteins ist für seine Funktion entscheidend und damit für die Biowissenschaften von besonderem Interesse. Die Schwierigkeit dabei ist nur: Will man sie mittels Röntgenstrukturanalyse aufklären, braucht man einen Kristall. Viele Proteine sind aber nur mühsam zum Kristallisieren zu bewegen, Fällmittel und weitere Zusätze müssen nachhelfen. Und um für jedes Protein die optimalen Kristallisationsbedingungen auszutüfteln, sind zahlreiche aufwändige Vorversuche nötig.
Doch Chemiker um Rustem Ismagilov von der Universität Chicago haben nun eine neue Mikromethode entwickelt, mit der sich Proteinkriställchen in winzigen Tröpfchen züchten lassen. Rasch und einfach lassen sich so die am besten geeigneten Parameter ermitteln.
Basis der Technik ist ein etwa daumennagelgroßer Kunststoffchip mit einem System aus feinsten Kanälchen. Ein Seitenkanal enthält eine wässrige Lösung des Proteins, ein zweiter das Fällmittel, ein dritter eine Pufferlösung mit weiteren Additiven. Diese drei Seitenkanäle münden an derselben Stelle in den Hauptkanal, durch den ein spezielles Öl fließt. Werden die Lösungen der Seitenkanäle langsam gefördert, entstehen an der Mündung Wassertröpfchen von wenigen Nanolitern, die alle drei Komponenten enthalten. Diese werden vom strömenden Öl mitgenommen und weiter in eine lange, feine Glaskapillare transportiert.
Die Zusammensetzung der Tröpfchen kann gezielt über die Fließgeschwindigkeit in den einzelnen Seitenkanälen variiert werden. Ist die Kapillare voll mit dicht gepackten, durch die Ölphase getrennten Tröpfchen, wird sie vom Chip abgenommen, verschlossen und gekühlt. In Tropfen mit geeigneten Konzentrationsverhältnissen kristallisiert das Protein aus.
Zur Beschleunigung der Kristallisation lassen sich die Tröpfchen auch kontrolliert aufkonzentrieren: Über ein zweites Seitenkanalsystem wird eine zweite Sorte Tröpfchen erzeugt, die lediglich eine wässrige Salzlösung enthält. Beide Tröpfchensorten werden abwechselnd in das Öl gefördert. Der Trick dabei: Die Salzkonzentration in den "salzigen Tröpfchen" ist höher als in den proteinhaltigen. Aufgrund des osmotischen Drucks wandern daher die Wassermoleküle langsam aus den Tröpfchen mit der niedrigeren Salzkonzentration durch das Öl in die Tröpfchen mit der höheren. Die proteinhaltigen Tröpfchen schrumpfen also – damit steigt ihre Proteinkonzentration.
Die gefüllte Kapillare lässt sich sogar leicht nach Kriställchen durchforsten, die eine ausreichende Qualität für eine Strukturanalyse mitbringen, denn die Kristalle können direkt in der Kapillare geröntgt werden. Die Gefahr, die empfindlichen Gebilde beim Überführen auf einen anderen Träger zu beschädigen, ist damit gebannt. Und unter den nun als optimal identifizierten Bedingungen züchtet man dann größere Proteinkristalle für deren Strukturaufklärung.
Doch Chemiker um Rustem Ismagilov von der Universität Chicago haben nun eine neue Mikromethode entwickelt, mit der sich Proteinkriställchen in winzigen Tröpfchen züchten lassen. Rasch und einfach lassen sich so die am besten geeigneten Parameter ermitteln.
Basis der Technik ist ein etwa daumennagelgroßer Kunststoffchip mit einem System aus feinsten Kanälchen. Ein Seitenkanal enthält eine wässrige Lösung des Proteins, ein zweiter das Fällmittel, ein dritter eine Pufferlösung mit weiteren Additiven. Diese drei Seitenkanäle münden an derselben Stelle in den Hauptkanal, durch den ein spezielles Öl fließt. Werden die Lösungen der Seitenkanäle langsam gefördert, entstehen an der Mündung Wassertröpfchen von wenigen Nanolitern, die alle drei Komponenten enthalten. Diese werden vom strömenden Öl mitgenommen und weiter in eine lange, feine Glaskapillare transportiert.
Die Zusammensetzung der Tröpfchen kann gezielt über die Fließgeschwindigkeit in den einzelnen Seitenkanälen variiert werden. Ist die Kapillare voll mit dicht gepackten, durch die Ölphase getrennten Tröpfchen, wird sie vom Chip abgenommen, verschlossen und gekühlt. In Tropfen mit geeigneten Konzentrationsverhältnissen kristallisiert das Protein aus.
Zur Beschleunigung der Kristallisation lassen sich die Tröpfchen auch kontrolliert aufkonzentrieren: Über ein zweites Seitenkanalsystem wird eine zweite Sorte Tröpfchen erzeugt, die lediglich eine wässrige Salzlösung enthält. Beide Tröpfchensorten werden abwechselnd in das Öl gefördert. Der Trick dabei: Die Salzkonzentration in den "salzigen Tröpfchen" ist höher als in den proteinhaltigen. Aufgrund des osmotischen Drucks wandern daher die Wassermoleküle langsam aus den Tröpfchen mit der niedrigeren Salzkonzentration durch das Öl in die Tröpfchen mit der höheren. Die proteinhaltigen Tröpfchen schrumpfen also – damit steigt ihre Proteinkonzentration.
Die gefüllte Kapillare lässt sich sogar leicht nach Kriställchen durchforsten, die eine ausreichende Qualität für eine Strukturanalyse mitbringen, denn die Kristalle können direkt in der Kapillare geröntgt werden. Die Gefahr, die empfindlichen Gebilde beim Überführen auf einen anderen Träger zu beschädigen, ist damit gebannt. Und unter den nun als optimal identifizierten Bedingungen züchtet man dann größere Proteinkristalle für deren Strukturaufklärung.
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