Richtige Strukturbestimmung
Eine Vielzahl von fortschrittlichen Techniken wie kernmagnetische Resonanz (NMR), Röntgenbeugung und Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) machen es jetzt möglich, die komplexe Struktur vieler Moleküle zu bestimmen. Allerdings sind die Methoden, die den Strukturbiologen derzeit zur Verfügung stehen, erheblich begrenzt. Alle drei erfordern den Durchschnitt von Ergebnissen zu Tausenden von Molekülen, sodass die Vorbereitung zeitaufwendig und schwierig ist und es auch praktisch unmöglich macht, seltene Proteine zu untersuchen. Röntgenkristallographie und Kryo-EM verursachen Strahlungsschäden an den Proben, NMR und Röntgenkristallographie dagegen sind hinsichtlich der Größe und Form der Moleküle beschränkt. Im EU-finanzierten Projekt NANO-MRI ("Quarternary structure imaging with nano-magnetic resonance imaging") sollte die Technologie zur Bestimmung von Proteinstrukturen aus einem einzigen Molekül entwickelt werden. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf Verbesserungen bei der fortschrittlichen Magnet-Resonanz-Kraftmikroskopie (MRFM) mit nanoskaliger Auflösung und nutzten den Tabakmosaikvirus als Testfall. MRFM kombiniert die Magnetresonanztomographie (MRT) mit der Rasterkraftmikroskopie. Es ist ein zerstörungsfreies Verfahren mit Einzelpartikelauflösung und der Fähigkeit, verschiedene Elemente zu unterscheiden. Derzeit ist es in der Lage, eine elementspezifische 3D-Struktur zu rekonstruieren. Allerdings hat es eine Auflösung von ca. 5 nm, sodass feine Details und atomare Struktur nicht erkennbar sind. Da der Kontrast bei der MRT durch unterschiedliche Konzentrationen von Wasserprotonen entsteht, stellt die Verwendung von zwei verschiedenen Isotopen von Wasserstoff eine Möglichkeit dar, um die atomare Auflösung zu erhöhen. Die Wissenschaftler führten über den natürlichen Weg in Pflanzen Wasserstoff in Viren ein. Sie synthetisierten andere Teile des Virus in Bakterien, die sich von deuteriumhaltigen Nährstoffen ernährten, um den Virus auch mit Deuterium anzureichern. Daraufhin produzierte das Team erfolgreich "gestreift" Viren mit abwechselnden wasserstoffhaltigen und deuteriumhaltigen Teilen, indem die Bedingungen für eine Selbstorganisation festgestellt wurden. NANO-MRI legte die Grundlagen für die nichtinvasive Strukturbestimmung an Einzelproben. Das Erreichen dieses ambitionierten Zieles wird eine neue Ära der Strukturbiologie und Strukturchemie einläuten, eine schnellere Analyse ermöglichen und Strukturen von Molekülen enthüllen, die mit bisherigen Technologien unzugänglichen waren.
Schlüsselbegriffe
Strukturabbildung, Magnet-Resonanz-Kraftmikroskopie, Magnetresonanztomographie
