Nobelpreis Chemie für 3D-Spektroskopie
Der Nobelpreis für Chemie 2017 wurde an Joachim Frank, Jacques Dubochet und Richard Henderson für die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie verliehen. Die Methode macht es möglich, räumliche und zeitliche Interaktionen der Komponenten von Makromolkühlen zu untersuchen.
Die ausgezeichneten Wissenschaftler haben die Kryo-Elektronenmikroskopie entwickelt und es so ermöglicht, große Moleküle in biologischen Systemen zu untersuchen, die zum Beispiel mit der sonst üblichen Röntgenkristallanalyse nicht erfasst werden konnte. Etwa bei RNA Polymerase, die nicht in ausreichender Menge für eine Röntgenkristallanalyse aufgereinigt werden kann.
Die Methode kann Moleküle ab ca. 200 kDa bis mehrere MDa untersuchen, dreidimensional darstellbar machen und erreicht dabei eine Auflösung von etwa 10 bis 30 Å. Theoretisch ist eine Auflösung bis zu 3 Å, also auf atomaren Niveau möglich, wird aber aufgrund praktischer Begrenzung bisher nicht erreicht.
Gelartiges Eis macht Untersuchung möglich
Die Moleküle werden für die Kryo-Elektronenmikroskopie üblicherweise in flüssigem Ethan in einer ca. 100 nm dünnen vitrifiszierten Eisschicht eingebettet.Dieser Typus von Eis ist durch sehr schnelles Kühlen nicht in der Lage eine komplette Kristallstruktur auszubilden, welche die Nutzung des Elektronenmikroskops stören würde. Die Probemoleküle werden im Eis dennoch in diversen zufälligen Orientierungen fixiert und dann elektronenmikroskopisch untersucht.
Die zweidimensionalen Bilder der Molekühle unterschiedlichster Ausrichtung werden dann am Rechner zu einer dreidimensionalen Struktur zusammengesetzt. Da die Bilder trotz der starken Kühlung auf -196 °C sehr verrauscht sind und die Informationen diverser Molekülausrichtungen enthält, ist hiermit ein hoher Rechenaufwand verbunden.
In Siegen geborener Preisträger
Joachim Frank, 1940 in Siegen geboren, entwickelte in den 70er und 80er Jahren die Grundlagen für diese Technologie und erstellte erstmals eine dreidimensionale Makroaufnahme. Der ebenfalls ausgezeichnete Schweizer Jacques Dubochet schaffte dann in den 80er Jahren die Möglichkeit Material aus lebenden Proben so zu präparieren, dass diese unter dem Mikroskop bei der Arbeit beobachtet werden können.
Der Schotte Richard Henderson, dritter Träger des diesjährigen Nobelpreises, schaffte es dann 1990 ein 3D-Bild eines einzelnen Eiweißmoleküls mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie zu erstellen.
Funktionsweise der Kryo-Elektronenmikroskopie. (Quelle: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)