Präziser Blick in die Moleküle#
Der Chemie-Nobelpreis 2017 geht an drei Forscher für die Entwicklung der Kryo-Elektronen-Mikroskopie.#
Von der Wiener Zeitung (Donnerstag, 5. Oktober 2017) freundlicherweise zur Verfügung gestellt.
Illustration: MartinHögbom/The Royal Swedish Academy of Sciences
Stockholm. Nach der Entschlüsselung der biologischen Uhr in der Medizin und dem Nachweis der Gravitationswellen in der Physik wird auch im Gebiet Chemie eine Errungenschaft gewürdigt, die den Blick des Menschen auf die Geheimnisse und die Entstehung von Leben erweitert beziehungsweise verändert: Mit der von den drei diesjährigen Chemie-Nobelpreisträgern entwickelten Kryo-Elektronen-Mikroskopie können tiefe, dreidimensionale Einsichten in Biomoleküle gewonnen werden. Den Preis teilen sich der Schweizer Jacques Dubochet, der in Deutschland geborene US-Forscher Joachim Frank und der Brite Richard Henderson. Die von ihnen entwickelte Methode eröffne neue Einsichten in die Moleküle des Lebens, so die Begründung.
Die Arbeiten der drei Wissenschafter hätten "die Biochemie in eine neue Ära geführt", so das das Nobelpreis-Komitee. Die Technologie habe die Möglichkeiten der Bildgebung in diesem Bereich nicht nur vereinfacht, sondern auch entscheidend verbessert. Davor prägten "viele leere Stellen die biochemischen Landkarten". Die Kryo-Elektronen-Mikroskopie änderte das jedoch grundlegend. Forscher können nun beispielsweise Zellen einfrieren, während sie aktiv sind und sie dann mit Elektronen-Mikroskopen analysieren. Damit werden heute Dinge beobachtet, die sowohl für das generelle Verständnis der Abläufe in der Chemie des Lebens als auch für die Entwicklung von Medikamenten wichtig sind.
Henderson, der am MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge (Großbritannien) arbeitet, hat mit seiner Forschung gezeigt, dass Elektronenmikroskopie nicht nur zum Studieren toter Materie geeignet ist. 1990 konnte er erstmals ein dreidimensionales Bild eines Proteins mit einer extrem hohen Auflösung aufnehmen. "Dieser Durchbruch zeigte das Potenzial der Technologie", heißt es in der Begründung. Einen wichtigen Grundstein dafür legte Frank (Columbia University, US-Bundesstaat New York), indem er bereits zwischen 1975 und 1986 eine Methode entwickelte, mit der die unscharfen zweidimensionalen Bilder analysiert und in ein schärferes 3D-Bild übersetzt werden konnten.
Der zentrale Verdienst von Dubochet von der Universität Lausanne war es, die Mikroskopie-Technologie für Proben, die Wasser enthalten, nutzbar zu machen. Davor verdampfte das für das Leben so wichtige Molekül im Vakuum von Elektronen-Mikroskopen, was Biomoleküle unverzüglich kollabieren lässt.
In den frühen 1980er Jahren entwickelte der Schweizer den Kunstgriff, Wasser so schnell abzukühlen, dass es sich in seiner ursprünglichen Form um die biologische Probe herum verfestigt. Das machte es möglich, Untersuchungsobjekte in ihrer natürlichen Gestalt unter die Hightech-Lupe zu nehmen. Nach zahlreichen Verbesserungen der Technologie kann mittlerweile in 3D bis tief in die atomare Ebene geblickt werden. Die Methode sei omnipräsent und einschlägige Veröffentlichungen voll mit solchen Abbildungen. So wurde kürzlich auch die Oberflächenstruktur des Zika-Virus analysiert.
Foto: © Nobel Media. Ill. N. Elmehed
Foto: © Nobel Media. Ill. N. Elmehed
Foto: © Nobel Media. Ill. N. Elmehed
Dreidimensionale Struktur#
Mit der Kryo-Elektronen-Mikroskopie kann man erstmals große "Biomaschinen" in den Zellen dreidimensional und mit großer Genauigkeit darstellen, erklärt der Wiener Strukturbiologe David Haselbach. Davor war man auf die Analyse ihrer Einzelteile beschränkt. Die Biomaschinen werden dazu in Eis eingebracht und quasi eine Vielzahl von Röntgenaufnahmen hergestellt, so Haselbach, der am Institut für Molekulare Pathologie in Wien forscht. Dies geschieht von verschiedenen Blickwinkeln, und ein Computeralgorithmus rekonstruiert schließlich aus einer Vielzahl von Aufnahmen die dreidimensionale Struktur der Biomaschinen.
Während man mit anderen Methoden auf kleine Biomaschinen und die Einzelteile von großen Bio-Molekülen beschränkt war, kann man mit der Kryo-Elektronen-Mikroskopie erstmals sogar ganze Viren darstellen, die bis zu einem tausendstel Millimeter (ein Mikrometer) groß sind, sagte er. Auch große Biomaschinen in den Zellen wie etwa Ribosomen, wo die Erbinformation in Eiweißstoffe übersetzt wird, könne man damit "bei der Arbeit beobachten". Viele Makromoleküle haben nämlich bewegliche Teile, und die Kryo-Elektronen-Mikroskopie ermöglicht es, die verschiedenen Bewegungsstadien quasi im Zeitraffer zu betrachten, so Haselbach. Außerdem könne man die Biomoleküle "mit eigenen Augen" sehen, und nicht nur über indirekte Darstellungen wie bei anderen Methoden.
Die Preisträger erhalten nach einer Aufstockung der Dotation heuer neun Millionen Schwedischen Kronen (rund 940.000 Euro). Übergeben wird der Preis alljährlich am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel. In der Nobelpreiswoche folgt nun auf die drei naturwissenschaftlichen Disziplinen am Donnerstag und Freitag die Bekanntgabe der Preisträger in den Sparten Literatur und Frieden.