Die Strukturbiologie beschäftigt sich mit der molekularen Struktur von Molekülen. Vorrangiges Ziel dieses Forschungsfeldes ist es, die Moleküle möglichst detailreich darzustellen, um besser zu verstehen, wie diese funktionieren. „In der Strukturbiologie geht man davon aus, dass die Form der Moleküle deren Funktion definiert“, sagt Thomas Marlovits*. Zwei sehr erfolgreiche Methoden, die in der Strukturbiologie bislang angewandt wurden, um Strukturen zu bestimmen, sind die Röntgenkristallographie und die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Bei der Röntgenkristallographie müssen zuerst von einer Probe Kristalle gezüchtet werden. Durch diese wird dann ein Röntgenstrahl geschossen und man erhält unterschiedliche Beugungsmuster, auf Grund derer man die dreidimensionale Struktur zurückrechnen kann.

Parallel zu diesen Methoden hat sich in den letzten dreißig Jahren eine weitere Methode entwickelt, die Cryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM). Dabei werden die Moleküle in einem eingefrorenen Zustand betrachtet, Bilder werden aufgenommen und ein dreidimensionales Modell rekonstruiert. Von großem Vorteil hierbei ist es, dass die Probe nicht aufwendig vorbereitet werden muss, wie etwa bei der Röntgenkristallographie. 

In den letzten Jahren gab es dazu einige spannende, neue Entwicklungen, die der Frage nachgehen, wie aus den oft rauschbehafteten Bildern die Signale besser herausgeholt werden können. Neuerungen gibt es hier einerseits im Bereich der Software, andererseits im Bereich der Mikroskopie, wo neue Kameras entwickelt wurden. „Diese neuen Kameras sind sogenannte direkte Elektronendetektoren, die es erlauben, dass die Bilder noch schärfer werden“, erklärt Thomas Marlovits. 

Basierend auf diesen Neuerungen wurde kürzlich in Nature Methods eine Vorgehensweise vorgestellt, die es ermöglicht, atomare Strukturen mit Hilfe von Daten der Cryo-EM noch besser und akkurater zu rekonstruieren. Für dieses Protokoll wird zuerst eine sogenannte  Elektronen-Dichtekarte erstellt, die experimentell bestimmt wird und durch die Adsorption von Elektronen im Elektronenmikroskop entsteht. In diese Karte wird dann eine röntgenkristallographische Struktur, beispielsweise einer Untereinheit, platziert und mit Hilfe geeigneter Algorithmen optimiert. 

Die vorgestellte Methode erlaubt es, die Mechanismen von Molekülen bis ins atomare Detail zu erklären. Beispielsweise kann damit herausgefunden werden, wo Antibiotika am besten andocken oder warum pathogene Bakterien oftmals unterschiedlich auf Antibiotika reagieren. „Für Fragen wie beispielsweise warum das eine Antibiotikum wirkt und das andere nicht, wird die genaue Kenntnis über die detaillierte Struktur benötigt. Dies bezieht sich nicht nur auf Infektionskrankheiten, sondern  auch auf alle anderen Krankheiten, die mit Medikamenten behandelt werden.  Je besser und detailreicher wir etwas verstehen,  umso spezifischer können wir dagegen oder dafür etwas machen“, erklärt Marlovits.   

* Thomas Marlovits gehört folgenden Organisationen an: Center for Structural Systems Biology (CSSB), University Medical Center Eppendorf-Hamburg (UKE), Hamburg, Germany; Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Hamburg, Germany; Institute of Molecular Biotechnology (IMBA), Austrian Academy of Sciences, Vienna, Austria; Research Institute of Molecular Pathology (IMP), Vienna, Austria.

Veröffentlichung:
DiMaio, F., Song, Y., Li, X., Brunner, MJ., Xu, C., Conticello, V., Egelman, E., Marlovits, TC., Cheng, Y., Baker, D. (2015). Atomic-accuracy models from 4.5-Å cryo-electron microscopy data with density-guided iterative local refinement. Nat Methods. doi: 10.1038/nmeth.3286