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Die Struktur von Biomolekülen entschlüsseln

Mit den Röntgenblitzen des European XFEL können Forscher die dreidimensionale Struktur von Biomolekülen, Zellbestandteilen und ganzen Viren entschlüsseln. Das wird Grundlagen für Medikamente der Zukunft schaffen.

Wissenschaftler verfügen schon heute über Methoden, mit denen sich die Struktur von Biomolekülen im Detail analysieren lässt. Doch die dazu genutzten Röntgenlichtquellen sind zu schwach, um einzelne Moleküle untersuchen zu können. Die Forscherinnen und Forscher müssen aus den Biomolekülen zunächst Kristalle züchten, in denen die Moleküle regelmäßig angeordnet sind. Diese Kristalle kann man dann für eine Gruppenaufnahme nutzen, bei der sich die einzelnen Bilder gegenseitig verstärken, bis schließlich ein gutes Ergebnis entsteht. Doch Kristallisation ist bei vielen biologisch relevanten Substanzen nicht möglich – viele Moleküle, Molekülkomplexe, Zellmembranen und ganze Zellen bleiben außen vor.

 
Ribosom
Ribosome sind große Molekülkomplexe, die als Eiweißfabriken fungieren und in jeder Zelle vorkommen. Der Röntgenlaser XFEL eröffnet ganz neue Möglichkeiten, solche biologische Strukturen mit atomarer Auflösung aufzuklären, ohne sie zuvor aufwändig kristallisieren zu müssen.
MPG
 
Explosion eines Biomoleküls
Biomoleküle werden durch intensive Röntgenstrahlung zerstört. Das Bild zeigt eine Simulation dieses Vorgangs. Um ein brauchbares Bild von dem Biomolekül zu bekommen, muss man es extrem schnell aufnehmen, bevor die Probe zerstört wird. Dies wird am European XFEL möglich sein.
© DESY

Völlig neue Möglichkeiten

Der European XFEL eröffnet hier völlig neue Möglichkeiten. Denn seine Röntgenblitze sind so intensiv, dass man auch kleine Kristalle von schlechter Qualität nutzen oder sich den Umweg über die Kristallisation ganz sparen kann. Zudem ist die Blitzdauer ausreichend kurz, so dass sich das Molekül während der Belichtung kaum verändert. Erst nachdem der Röntgenblitz die Probe passiert hat und das Bild der atomaren Struktur gemacht wurde, beginnt der Zerfall des Moleküls – ausgelöst durch die enormen Kräfte aufgrund des starken Lichteinfalls.

Diese Möglichkeiten zur Untersuchung von Biomolekülen mit Hilfe von Röntgenblitzen sind so einmalig und neu, dass es bisher nur theoretische Arbeiten und Simulationen dazu gibt. Experimente an der XFEL-Pilotanlage FLASH bei DESY konnten die Methode jedoch bestens bestätigen. Die noch zu meisternden Herausforderungen sind allerdings enorm und erzwingen einen interdisziplinären Ansatz. Hier arbeiten Biologen, Physiker und Mathematiker schon heute eng zusammen.

Der European XFEL bietet mit dieser Methode völlig neuartige Möglichkeiten, größere biologische Strukturen wie einzelne Viren im atomaren Detail abzubilden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf Viren gerichtet sein, die sich nicht kristallisieren lassen – darunter die Auslöser von AIDS und Herpes.

Zudem lassen sich mit den ultrakurzen Röntgenblitzen Bewegungen von Molekülen zeitlich verfolgen, so dass beispielsweise Funktionsabläufe an Zellmembranen studiert werden können. Solche Untersuchungen werden zu neuen Einsichten in dem molekularen Ablauf von Infektionen führen und bilden damit eine wichtige Grundlage, um neue Medikamente zu entwickeln.