Proteinkristallographie an BESSY II: ein Werkzeug zur Entschlüsselung von Lebensbausteinen
Über 4.000 Strukturen wurden an BESSY II entschlüsselt (Stand Dezember 2022), hier kann man sich ein Bild davon machen
BESSY II ist eine hochbrillante Röntgenlichtquelle für die Forschung. Mit diesem speziellen Röntgenlicht können wir auch Proteine untersuchen, die in Viren, Bakterien oder Zellen eine wichtige Rolle spielen.
Proteine sind an allen Prozessen in lebenden Organismen beteiligt. Sie sind riesige Moleküle (Makromoleküle), die aus hunderten von Aminosäuren aufgebaut sind. Dabei entsteht eine hochkomplexe dreidimensionale Architektur. Teile dieser Makromoleküle sind gefaltet, andere sehen wie Schleifen oder Spiralen aus, es gibt Verzweigungen und Symmetrien. Diese 3D-Architektur ist für die Funktion des Proteins ganz entscheidend.
Wie funktioniert die Proteinkristallographie?
Pilatus-Detektor für die Kristallographie
An BESSY II gibt es drei Strahlrohre für die Proteinkristallographie. Dort kann die 3D-Architektur von Proteinen entschlüsselt werden. Diese Strahlrohre werden auch MX-Beamlines genannt. Die Abkürzung MX kommt aus dem Englischen, wobei M für „Macromolecular“ und X für „X-ray structure analysis“ steht.
Im ersten Schritt müssen Proteine aus einer Lösung auskristallisieren, damit sich die Makromoleküle auf regelmäßigen Gitterplätzen anordnen. Die Kristallzucht aus Proteinen erfordert große Erfahrung. Proteinkristalle sind winzig und empfindlich. Ein Team aus der MX-Gruppe am HZB hat einen speziellen Probenhalter entwickelt, um die Handhabung dieser zarten Kristalle deutlich zu vereinfachen.
Im zweiten Schritt werden die Proben in flüssigem Stickstoff gekühlt und dann mit einem Roboterarm nach und nach in den Röntgenstrahl gehalten. Das Röntgenlicht wird an der Proteinkristallstruktur gebeugt, so dass im Detektor ein Beugungsmuster entsteht.
Im letzten Schritt wird jeder einzelne Fleck dieses Beugungsmusters analysiert. Mit Hilfe von ausgefeilten Algorithmen lässt sich so die 3D-Architektur des Proteins entschlüsseln. Zudem errechnet ein Computerprogramm auch die Elektronendichte um das Proteinmolekül herum, die wichtige Informationen über Bindungsmöglichkeiten und chemische Eigenschaften des Proteins enthält.
BESSY II und das MX-Team
Die Joint Research Group Macromolecular Crystallography, kurz MX-Team genannt, ist über die Jahre gewachsen. Im Frühjahr 2021 besteht das Team aus 12 Personen: eine Doktorandin, drei Ingenieure, eine Laborantin, ein 1 HiWi, 2 Postdocs und 4 Wissenschaftler.
In der Pandemie-Zeit sieht die Arbeit an den Beamlines anders aus als sonst. Durch die Home-Office Regelung mit Einzelbesetzungen muss sich das Team absprechen, wer vor Ort und wer von zu Hause aus arbeitet. Zu Hause sind Laborarbeiten nicht möglich. Dort können die Forscher*innen ihre Resultate aufarbeiten oder Veröffentlichungen schreiben. Um die Beamlines am Laufen zu halten, müssen einige Mitarbeiter*innen immer vor Ort sein. Es werden nur wenige Nutzergruppen aus Deutschland empfangen.
Die erste MX-Beamline läuft komplett via Remote Zugang. Dafür schicken die Nutzer ihre Proben ein, das Team bereitet sie zur Messung vor und gibt den Nutzern Zugang zu den Rechnern, die die Beamline
betreiben und das Experiment kontrollieren. Die Nutzer sitzen also in ihrem eigenen Labor vor dem Rechner, und können die Beamline bei BESSY II betreiben und ihre Experimente durchführen.
Die zweite Beamline wird gerade für den Remote Access vorbereitet. Die dritte hat keinen automatischen Probenwechsler und ist daher für den Remote-Betrieb nicht geeignet.
Wichtige Forschungsthemen für das MX-Team sind aktuell das SARS-CoV-2 Virus. Auch das Fragment-Screening spielt eine immer größere Rolle. Dafür hat das MX-Team inzwischen Fördermittel von der EU eingeworben, und wird auch vom Helmholtz-Innovationspool unterstützt.