Ohne Proteine gibt es keine Zellen, kein Leben. Doch wie funktionieren sie eigentlich, kann man das irgendwie sichtbar machen?

Wohl jeder hat in der Schule schon einmal am Mikroskop gesessen und dabei Pantoffeltierchen beim Schwimmen oder auch Zellkerne in einer gefärbten Zwiebelhaut betrachtet. Ein faszinierender Einblick in den Mikrokosmos, den man aber auch noch detaillierter gestalten kann. Denn alles Leben basiert wesentlich auf Proteinen, von denen – wie man mittlerweile weiss – mehr als zwei Drittel nicht etwa allein, sondern gemeinsam in Komplexen agieren.

Die Funktionsweise dieser «Eiweissmaschinen» zu verstehen, ist eine grosse Herausforderung der modernen Biologie – und dank der Kryo-Elektronenmikroskopie ist es dabei in den letzten Jahren zu grossen Fortschritten gekommen. Der Schweizer Jacques Dubochet hat dafür zusammen mit Joachim Frank (Deutschland/USA) und Richard Henderson (Grossbritannien) den diesjährigen Nobelpreis für Chemie erhalten.

Ausgangstechnik des Verfahrens ist die Elektronenmikroskopie, wie sie 1931 vom deutschen Ingenieur Ernst Ruska entwickelt wurde, der dafür mehr als 50 Jahre später (!) ebenfalls den Nobelpreis erhielt. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass Elektronen nicht nur winzige Körperchen, sondern auch Wellen sind, die man mithilfe magnetischer Linsen abbilden kann. Dadurch lassen sich viel bessere Vergrösserungen erzielen wie beim traditionellen Lichtmikroskop. Dessen Auflösung endet etwa bei 200 Nanometern (Milliardsteln Meter) – das Elektronenmikroskop hingegen schafft mittlerweile etwa 0,1. Damit kann man auch Moleküle und sogar Atome abbilden.

Proteine schockgefroren

Auf diese Weise liessen sich prinzipiell auch Proteine darstellen. Das Problem ist jedoch: Bei der herkömmlichen Elektronenmikroskopie muss man die zu untersuchende Probe einer langwierigen Präparation unterziehen, um das in ihr enthaltene Wasser Stück für Stück durch Kunststoff zu ersetzen, denn ansonsten würde das Bild regelrecht verwackeln. Wendet man dieses Verfahren nun bei den empfindlichen Eiweiss-Komplexen an, verändern sie ihre Struktur, und man hat letzten Endes ein Bild, das mit der Realität nichts mehr zu tun hat.

Daher werden die Proben in der Kryo-Elektronenmikroskopie, wie schon die Vorsilbe Kryo (aus dem griechischen «kryos = kalt) erahnen lässt, schockgefroren. Das enthaltene Wasser wird zu amorphem (gestaltlosem) Eis, und die Proteine behalten ihre ursprüngliche Struktur. Alles wohlgemerkt in 3D. Denn wie bei der Computer-Tomographie werden zig Querschnittbilder geschossen, die dann mit dem Computer zu einem dreidimensionalen Objekt rekonstruiert werden.

Mittels der Kryo-Elektronenmikroskopie lassen sich also Protein-Komplexe in ihrem Ist-Zustand abbilden. Was für die mikrobiotische Forschung geradezu ein Quantensprung ist. Denn dadurch konnte man beispielsweise schon beobachten, wie Salmonellen eine Zelle entern oder sich Bakterien gegen Antibiotika rüsten.

Auch das Zika-Virus konnte mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie bereits entschlüsselt werden, sodass man nach massgeschneiderten Medikamenten suchen kann. Und es gibt sogar eine Verbindung zum Medizin-Nobelpreis vom Montag. Denn die Kryo-Elektronenmikroskopie hat auch geholfen, die physiologischen Vorgänge unserer biologischen Uhr zu verstehen.

Chemie-Nobelpreis: Jacques Dubochet im Video-Interview

Chemie-Nobelpreis: Jacques Dubochet im Video-Interview

Jacques Dubochet freut sich, dass seine wissenschaftlichen Arbeiten mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet worden sind. Er empfinde grosse Befriedigung und Anerkennung. Der Weg zum Nobelpreis sei lang gewesen. Dazu gehörten Fehler und Erfolge gleichermassen.