Strukturbiologen züchten erstmalig Protein-Nanokristalle in lebenden Zellen

  • Strukturbiologen züchten erstmalig Protein-Nanokristalle in lebenden Zellen: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Insektenzelle, aus der ein Proteinkristall (pink) herausragt. Bild: Michael Duszenko/Universität TübingenStrukturbiologen züchten erstmalig Protein-Nanokristalle in lebenden Zellen: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Insektenzelle, aus der ein Proteinkristall (pink) herausragt. Bild: Michael Duszenko/Universität Tübingen
  • Strukturbiologen züchten erstmalig Protein-Nanokristalle in lebenden Zellen: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Insektenzelle, aus der ein Proteinkristall (pink) herausragt. Bild: Michael Duszenko/Universität Tübingen
  • Überlagerung aller 988 Streubilder, die am LCLS von dem Protein gewonnen wurden. Bild: Henry Chapman/CFEL/Nature Methods

Strukturbiologen aus Hamburg, Lübeck und Tübingen haben in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY erstmalig Protein-Nanokristalle in ihrer natürlichen Form in lebenden Zellen gezüchtet und ihre räumliche Struktur mit Hilfe eines Freie-Elektronen-Lasers in hoher Auflösung analysiert.

In-vivo Kristallisation
Die Züchtung von Nanokristallen des Enzyms Cathepsin B aus dem Parasiten Trypanosoma brucei, dem Erreger der Schlafkrankheit, gelang den Strukturbiologinnen und -biologen erstmalig in lebenden Insektenzellen. Prof. Michael Duszenko, Leiter der Abteilung Molekulare Parasitologie an der Universität Tübingen: „Bei der Klonierung von Cathepsin B, eines Enzyms aus Trypanosomen, konnten wir zeigen, dass sich in vivo Kristalle bilden. Aufgrund der geringen Größe und Fragilität dieser Kristalle wäre es allerdings unmöglich gewesen, diese zur Strukturanalyse zu nutzen. Deshalb hat der glückliche Umstand, dass gerade jetzt die neuartige Lasertechnologie in Kalifornien verfügbar war, dieses Projekt ideal ergänzt und neue Türen in der Strukturbiologie geöffnet. Ohne die fruchtbare Kooperation zwischen Tübingen, Hamburg und Lübeck wären die Ergebnisse nicht möglich gewesen."

Strukturanalyse der Protein-Nanokristalle
Bisher war zur Aufklärung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen durch Röntgenstrukturanalyse ein aufwendiges Verfahren nötig, denn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mussten von ausgewählten Proteinen Kristalle mit einer Kantenlänge von mindestens 100 Mikrometer in jede Richtung züchten. Mit einem „Freie-Elektronen-Laser" in Stanford, Kalifornien, konnte die Forschergruppe nun hochintensive Röntgenpulse nutzen und viel kleinere Kristalle, nämlich Nanokristalle von nur wenigen Mikrometern Kantenlänge, untersuchen.

Dr. Lars Redecke, Leiter der Nachwuchsgruppe „Strukturelle Infektionsbiologie unter Anwendung neuartiger Strahlungsquellen (SIAS)": „Unser Ergebnis zeigt, dass die Superlaser völlig neue Möglichkeiten in der Strukturaufklärung biologischer Makromoleküle bieten können. Vielleicht sind die Zeiten bald vorbei, in denen wir oft Monate oder Jahre brauchten, um von bestimmten Proteinen Kristalle zu züchten, die groß genug für Synchrotronstrahlungsquellen sind. Ich bin stolz, dass die Universitäten Hamburg, Lübeck und Tübingen bei diesen neuen Entwicklungen an vorderster Front dabei sind".

Originalliteratur:
Michael Duszenko et al.; In vivo protein crystallization opens new routes in structural biology; Nature Methods (2012), Advance Online Publication; DOI: 10.1038/nmeth.1859

 

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