Eisiger Blick in Biomoleküle

Der Nobelpreis für Chemie 2017 wurde an Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson für ihren Beitrag zur Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie für die hochaufgelöste Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösung verliehen. Die Methode hat die Bildgebung von Biomolekülen revolutioniert und die Biochemie in eine neue Ära katapultiert. Bald schon könnte sie detaillierte Bilder zur Komplexität des Lebens auf molekularer Ebene liefern - in atomarer Auflösung.

Trotz der Bedeutung ihrer Arbeiten hatte vor der Preisverleihung wohl kaum jemand dieses Trio auf dem Tippschein, zu erdrückend schien die Konkurrenz anderer bahnbrechender Arbeiten, deren Medienpräsenz eine Auszeichnung geradezu zwingend erscheinen ließ, wie etwa die Gen-Schere CRISPR/Cas-9, Kohlenstoffnanoröhren oder Solarzellenmaterialien. Doch die Ehrung kommt nicht von ungefähr: Das Fachjournal »Nature Methods« hatte die Kryo-Elektronenmikroskopie angesichts ihrer bahnbrechenden Erfolge bereits 2015 zur »Methode des Jahres« gekürt.

Wie die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften in ihrer Würdigung der Verdienste der Preisträger hervorhebt, sind Bilder ein Schlüssel zum Verständnis und die Grundlage von wissenschaftlichen Durchbrüchen, vor allem dann, wenn sich die dargestellten Objekte wegen ihrer Winzigkeit dem bloßen Auge entziehen. Dem schloss sich auch die Präsidentin der American Chemical Society in ihrer Grußadresse an: Allison Campbell vergleicht die Entdeckung mit einer Art »Google Earth« für Moleküle, das den Betrachter bis in die atomaren Details von Proteinen eindringen lässt.

Darstellungen aus der Miniaturwelt der Biochemie waren lange voller weißer Flecken, weil die bis dahin verfügbare Technik Probleme beim Festhalten von Bildern des komplexen molekularen Lebens bereitete.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie veränderte alles. Forscher können nun Biomoleküle einfrieren und daran Prozesse sichtbar machen, die so noch nie zu beobachten waren. Diese Möglichkeiten beflügeln das Grundverständnis für die Chemie des Lebens. Und die Bedeutung dieser Technik geht weit über die Grundlagenforschung hinaus. Mittlerweile ist sie beispielsweise auch aus der Entwicklung von Arzneimitteln nicht mehr wegzudenken.

Lange Zeit hatte man geglaubt, dass Elektronenmikroskope nur für die Darstellung von toter Materie geeignet seien, da der starke Elektronenstrahl biologisches Material abtötet. Doch 1990 gelang es dem Molekularbiologen und Biophysiker Richard Henderson im englischen Cambridge mit einem Elektronenmikroskop, das dreidimensionale Bild eines Proteins in atomarer Auflösung aufzunehmen. Dieser Achtungserfolg ließ bereits das Potential der Technologie erahnen.

Der in Siegen gebürtige Biophysiker Joachim Frank machte die Technik allgemein anwendbar. Zwischen 1975 und 1986 entwickelte er ein Bildverarbeitungsverfahren, das die unscharfen zweidimensionalen Bilder des Elektronenmikroskops analysiert und miteinander verschmilzt, um eine scharfe dreidimensionale Struktur zu erzeugen. Denn die aufgenommenen Einzelbilder sind so verrauscht, dass sie für sich allein genommen keine Aussagekraft haben. Die stellt sich erst ein, wenn mit Computer-Algorithmen der Durchschnitt einer großen Anzahl von Bildern genommen und in ein dreidimensionales Bild umgewandelt wird.

Der Biophysiker Jacques Dubochet schließlich fügte der Elektronenmikroskopie Wasser hinzu - und ermöglichte so die Beobachtung des chemischen Geschehens in der für biologische Prozesse wichtigen Umgebung von Lösungen. Dafür war vorher eine große Hürde zu nehmen: Denn flüssiges Wasser verdampft im Vakuum eines Elektronenmikroskops, wodurch die gelösten Biomoleküle kollabieren und ihre ursprüngliche räumliche Anordnung verlieren.

In den frühen achtziger Jahren gelang es Dubochet, Wasser zu amorphem Eis zu vitrifizieren, es gleichsam zu Glas werden zu lassen. Dazu kühlte er das Wasser so schnell ab, dass es keine Zeit hatte, in der zu untersuchenden biologischen Probe Eiskristalle zu bilden, so dass die Biomoleküle ihre natürliche Form behielten. Die Technik des Schockfrostens in flüssigem Stickstoff erwies sich als besonders vorteilhaft bei der Untersuchung komplexer Strukturen von Proteinen, die sich nicht auskristallisieren lassen. Längst sehen viele Forscher die Methode als ebenbürtig mit ihrem bewährten Arbeitspferd an, der Röntgenstrukturanalyse. Die verlangt kristallines Probematerial, dessen Struktur sich unter Umständen von der des gleichen Moleküls in biologischen Prozesse unterscheidet.

Nach diesen Schlüsselentdeckungen wurde das Elektronenmikroskop weiter optimiert. Die gewünschte atomare Auflösung wurde 2013 erreicht, und Forscher können nun routinemäßig dreidimensionale Strukturen von Biomolekülen erzeugen, deren Kunstwerken ähnelnden Abbildungen zunehmend die wissenschaftliche Literatur zieren. Die heute erreichbare Auflösung dreidimensionaler, mit dem Kryo-Elektronenmikroskop aufgenommener Bilder liegt zwischen 0,5 und 3 Nanometern. Mittlerweile konnten so neben Proteinen und Enzymkomplexen eine Reihe biologisch wichtiger Strukturen in hoher Auflösung abgebildet werden, wie etwa Mitochondrien, Ribosomen, Viren und Ionenkanäle.

Beobachter vermuten, dass die Methode einen enormen Schub für die Arzneimittelforschung bringen wird: Die gewonnenen Abbildungen könnten beispielsweise Kontakte zwischen Wirkstoffmolekülen und Zellproteinen sichtbar machen. Das kann Antwort auf die Frage liefern, warum ein Medikament besser wirkt als ein anderes, oder aber wirkungslos bleiben.

Die Biochemie hat in den vergangenen Jahren zu einer geradezu explosiven Entwicklung angesetzt. Das Kryo-Elektronenmikroskop ist ihr zeitgemäßes Beobachtungswerkzeug, mit dem die nun geehrten Wissenschaftler die Tür in die Zukunft dieses Wissenschaftszweigs weit aufgestoßen haben.