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04.02.2011:
Röntgenlaser durchleuchtet biologische Nanostrukturen

Mit dem weltweit ersten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser lassen sich Proteine und Viren analysieren

Bilder des Röntgenlasers: Die Lichtblitze erzeugen diese Reflexmuster, wenn sie die Proteinkristalle durchdringen. Daraus berechnen die Forscher die Größe und Form der Kristalle (eingeklinkte Bilder), sowie die Orientierung der Kristallachsen (Pfeile). Aus weiteren Daten ermitteln sie die Struktur des Proteins. © Nature Publishing Group

Im Zentrum von CAMP: In der Kammer sind links die übereinander gestapelten vergoldeten Elektroden des Reaktionsmikroskops zu sehen und rechts zwei Röntgendetektoren. Die eigentlichen CCDs sind etwa so groß wie Kinderhände und als zwei spiegelnde Flächen zu erkennen. Der FEL Puls kommt von links zwischen den zwei mittleren der ringförmigen Elektroden hindurch, trifft in deren Mitte auf die Nanopartikel und wird nach rechts auf den Detektor gestreut, wo die Beugungsmuster nachgewiesen werden. Die Fragmente der Probenteilchen werden durch die Elektrodenringe nach oben und unten beschleunigt. © MPI für Kernphysik

Der Wissenschaft bietet sich künftig eine neue Sicht auf die biologische Nanowelt. Zwei Teams, an denen Max-Planck-Forscher der Advanced Study Group stark beteiligt waren, haben zum ersten Mal Strukturen biologischer Proben mit dem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser „LINAC Coherent Light Source“ am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford untersucht. Darüber berichten sie im Fachmagazin Nature. Zum einen haben sie Nanokristalle eines Proteins durchleuchtet, das an der Fotosynthese beteiligt ist, zum anderen einzelne Viren, die Amöben infizieren. Mit den beiden Studien belegen sie, dass sich der extrem energiereiche und intensive Röntgenlaser prinzipiell eignet, um biologische Strukturen aufzuklären, die sich mit den herkömmlichen Methoden nicht entschlüsseln lassen.

In dem Wissen, das Forscher von den biochemischen Prozessen im menschlichen Körper gesammelt haben, klaffen noch große Lücken. Vor allem von Membranproteinen, die rund 60 Prozent der Angriffspunkte für Medikamente bilden, kennen sie nur wenige. Damit fehlt ihnen eine wichtige Voraussetzung, um deren biochemische Rolle etwa bei der Entstehung von Krankheiten zu verstehen und neue Arzneimittel zu entwickeln. Das könnte sich nun ändern. In zwei Untersuchungen mit der LINAC Coherent Light Source (LCLS), dem weltweit ersten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (Röntgen-FEL) schaffen Wissenschaftler nämlich neue Möglichkeiten, um die Struktur von Proteinen und anderen biologischen Proben zu bestimmen, die sich herkömmlichen Strukturanalysen entziehen. Um solche Studien zu ermöglichen, haben Mitglieder der Advanced Study Group (ASG), in der sich Wissenschaftler von acht Max-Planck-Instituten zusammengeschlossen haben, neuartige Instrumente entwickelt.

Unter Leitung von Henry Chapman, der am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) am DESY in Hamburg forscht, sowie von Petra Fromme und John Spence von der Arizona State University haben die Forscher erstmals die Struktur eines Proteins anhand von Kristallen bestimmt, die zwischen 200 Nanometer und zwei Mikrometer groß sind. Für die herkömmliche Strukturanalyse verwenden Forscher in der Regel Kristalle von mehreren hundert Mikrometern Kantenlänge, die sie aber oft nur unter jahrelangen Mühen züchten können – wenn überhaupt.

Die Größe der Proben ist deshalb entscheidend, weil die Strukturanalyse von Proteinen einer einfachen Rechnung folgt: Aus großen Kristallen lassen sich auch mit der Röntgenstrahlung herkömmlicher Quellen Strukturinformationen gewinnen. Um aus nanoskopischen Kristallen die gleiche Information herauszukitzeln, benötigen die Forscher Röntgenlicht, das milliardenfach intensiver ist als die Strahlung herkömmlicher Quellen. Genau die gibt es jetzt mit dem Röntgen-FEL.

„Unsere Experimente mit dem Röntgen-FEL bereiten den Weg zur Nano-Kristallografie und werden es in absehbarer Zeit erlauben, auch routinemäßig Mikro-Kristalle zu untersuchen, die zwar zuhauf auftreten, sich aber, wenn überhaupt, nur sehr schwer analysieren lassen “, sagt Ilme Schlichting, Direktorin am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg. „Die Studien zeigen vor allem, dass bei den verwendeten Laserpulsen noch brauchbare Signale entstehen, bevor es zum globalen Strahlenschaden an den Proben kommt.“ Die Pulse des Röntgenlasers blitzen nämlich so intensiv auf, dass sie nicht nur aus winzigen Proben Strukturinformationen herauskitzeln. Sie zerstören die Probe gleichzeitig auch.

Besonders große und schnelle Röntgendetektoren ermöglichen die Messungen

Als Wissenschaftler das Konzept für Untersuchungen mit dem Röngten-FEL entwickelten, hatten sie jedoch berechnet, dass eine Probe dann Details über ihre Struktur verraten sollte, wenn die Pulse des Lasers so kurz sind, dass sie die Probe passieren, bevor diese im Röntgenlicht zerplatzt. Das haben die aktuellen Studien nun belegt, und zwar auch für einzelne Viren. In einer zweiten Arbeit haben Wissenschaftler um Janos Hajdu von der Universität im schwedischen Uppsala nämlich einzelne Mimiviren – Viren, die Amöben befallen – in den Strahl des Röntgenlasers geschossen und auf diese Weise die äußere Struktur des Virus bestimmt.

„Bei den Experimenten haben wir festgestellt, dass selbst Pulse von 70 Femtosekunden Dauer noch eine Auflösung von weniger als einem Nanometer liefern“, sagt Ilme Schlichting. 70 Femtosekunden – eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel Bruchteil einer Milliardstel Sekunde – hielten die Wissenschaftler eigentlich für zu lang, als dass eine Probe noch Strukturinformation preisgeben könnte, ehe sie explodiert.

„Die Messungen an den mikroskopischen Partikeln hat erst das CAMP Instrument möglich gemacht“, sagt Joachim Ullrich, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. CAMP steht für CFEL ASG Multi Purpose. Das Instrument erlaubt besonders schnelle und präzise Messungen der gestreuten Röntgensignale. Entwickelt haben es die Mitglieder der ASG, zu denen neben Forschern der Max-Planck-Institute für Kernphysik sowie medizinische Forschung auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik und des MPI Halbleiterlabors gehören.

„Herzstück der Apparatur sind die weltweit größten und schnellsten Röntgen-CCD-Chips, die Energie und Intensität des gestreuten Lichts messen“, sagt Lothar Strüder, der die Chips mit seinen Kollegen des MPI Halbleiterlabors gebaut hat. Diese Chips, jeder so groß wie eine Kinderhand, lassen sich 200 Mal pro Sekunde auslesen – schneller als der Röntgenlaser seine Pulse abfeuert. Neben dem Röntgenlicht fangen die Detektoren des CAMP Instruments auch die Bruchstücke auf, in die eine Probe nach dem Röntgenbeschuss zerfällt. Diese geben den Forschern Hinweise, wie die Proben zerstört werden.

„Mit Hilfe der Erkenntnisse, die wir über die Zerstörungsprozesse gewinnen, versuchen wir die Proben künftig möglichst gut vor der zerstörerischen Kraft des Lasers zu schützen“, sagt Joachim Ullrich. Damit umreißt er einen der Schritte, mit dem die Forscher die Untersuchungen am Röntgen-FEL optimieren wollen. In den nächsten Untersuchungen werden sie zudem die Pulse des Lasers weiter verkürzen und ihre Intensität zugleich erhöhen. „Wir sind sicher, dass wir auf diese Weise die notwendige Auflösung erreichen können, um bislang unbekannte biologische Strukturen zu enthüllen“, sagt Ilme Schlichting: „Damit öffnen wir ein neues Fenster zur biologischen Nanowelt.“

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Weitere Informationen:

Die Röntgenlaserquelle LCLS ist ein vom U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science finanziertes Projekt unter Leitung des SLAC National Accelerator Laboratory in Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory und dem Lawrence Livermore National Laboratory. Das Lawrence Berkeley National Laboratory und die Cornell University haben wichtige Subsysteme beigesteuert. Die University of California in Los Angeles hat das Projekt auf dem Gebiet der Theoretischen Physik unterstützt. Das National Laboratory Brookhaven sowie das National Laboratory Los Alamos waren in den Frühphasen der LCLS-Forschung und Entwicklung aktiv beteiligt.

Das Stanford Linearbeschleunigerzentrum SLAC ist ein Multiprogramm-Laboratorium, das sich mit Grenzfragen in Photonenwissenschaft, Astrophysik, Teilchenphysik und Beschleuniger-Forschung beschäftigt. Das SLAC, das sich in Menlo Park, Kalifornien, befindet, wird im Auftrag des U.S. Department of Energy Office of Science von der Stanford University betrieben.

Die Coherent Imaging Division am Center for Free-Electron Laser Science am DESY entwickelt Technologien, Methoden und Computerprogramme für die Abbildung und 3D-Strukturbestimmung mit Hilfe von FEL-Röntgenpulsen.  Sie steht unter der Leitung von Prof. Henry Chapman, der gemeinsam mit Prof. Janos Hajdu von der Uppsala University die ersten “diffraction before destruction”-Experimente am FLASH FEL für weiche Röntgenstrahlung in Hamburg durchführte. Diese Gruppe hat die LCLS-Experimente zur Überwindung von Strahlungsschädengrenzen in Röntgenkristallographie und Abbildungssystemen vorgeschlagen.

Das CFEL ASG Multi Purpose (CAMP) Instrument ist eine einzigartige, sieben Millionen Dollar teure Apparatur, die von der Max Planck Advanced Study Group am CFEL - einer interdisziplinären Kooperation von acht Max-Planck-Instituten - entwickelt wurde und betrieben wird. Das CAMP-Instrument vereint Imagingtechniken für Ionen und Elektronen mit Large-Area-Röntgenkameras  zur Entdeckung von gestreuten Photonen und Fluoreszenzphotonen, um die Interaktion der ultra-intensiven FEL-Strahlung mit Atomen, Biomolekülen, Aerosolen, Viren oder kondensierter Materie umfassend untersuchen zu können.

Das Laboratory of Molecular Biophysics am Department of Cell and Molecular Biology der Uppsala University ist ein Center of Excellence des Swedish Research Council. Unter Leitung von Professor Janos Hajdu lieferte dieses Laboratorium vor einem Jahrzehnt die wissenschaftliche Grundlage der biomolekularen Abbildungsverfahren für den Bau der LCLS.

Die Arizona State University ist eine so genannte “New American University”: eine bedeutende öffentliche Bildungsinstitution, ein richtungweisendes Forschungszentrum und ein Innovationsführer. Das Nanokristallographie-Team an der ASU besteht aus einer multidisziplinären Gruppe von Wissenschaftlern aus den Fachbereichen Physik sowie Chemie und Biochemie des College of Liberal Arts and Sciences. Das ASU-Team beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger Injektortechnologien, etwa dem aerodynamischen Fokussierungsinjektor, Technologien für das Wachstum von Nanokristallen aus Membranproteinen, einschließlich von Photosystem-I-Kristallen, sowie der Entwicklung von Methoden für Datenauswertung, Veredelung und Synchronisierung für die Femtosekunden-Nanokristallographie.

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Originalveröffentlichungen:

Henry N. Chapman et al.
Femtosecond X-ray protein nanocrystallography
Nature, 3. Februar 2011 (doi:10.1038/nature09750)

M. Marvin Seibert et al.
Single mimivirus particles intercepted and imaged with an X-ray laser
Nature, 3. Februar 2011 (doi:10.1038/nature09748)

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Abteilung Experimentelle Mehrteilchen-Quantendynamik am MPIK

 Abteilung Biomolekulare Mechanismen am MPIMF

 Center for Free-Electron Laser Science

 Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft

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Kontakt:

Prof. Dr. Joachim Ullrich
Direktor der Abteilung Experimentelle Mehrteilchen-Quantendynamik
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Telefon: +49 6221 516-696
Fax: +49 6221 516-604
E-Mail:  joachim.ullrich (at) mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Ilme Schlichting
Direktor der Abteilung Biomolekulare Mechanismen
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
Telefon: +49 6221 486-500
Fax: +49 6221 486-585
E-Mail:  ilme.schlichting (at) mpimf-heidelberg.mpg.de

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