Gesundheit und Biologie

Am European XFEL werden Forscher biologische Strukturen wie Proteine, Zellen oder Membranen aufklären. Sie werden auch untersuchen können, wie sich Biomoleküle im Verlauf biologischer Prozesse verändern. Aus Struktur und Veränderung können sie Einsichten in die Funktion gewinnen - ein wichtiger Ausgangspunkt für die Entwicklung von Arzneimitteln und Therapien.

Wer mit Hilfe von Röntgenstrahlen herausfinden möchte, wie die Atome in einem Molekül oder Material angeordnet sind, benötigt bislang Kristalle, denn hier befinden sich die Atome oder Moleküle in regelmäßiger Anordnung mit gleicher räumlicher Orientierung. Biomoleküle zu kristallisieren ist jedoch alles andere als einfach: Oft dauerte es Jahre oder gar Jahrzehnte, Kristalle in ausreichender Größe und Qualität für die Untersuchung an Synchrotronen zu gewinnen, während die nachfolgenden Schritte sehr viel schneller gelangen.

Eine qualitative Verbesserung gegenüber Synchrotronen konnte mit Röntgenlasern bei der Untersuchung sehr kleiner Kristalle (ein Mikrometer oder weniger) bereits erzielt werden: Am LCLS in Kalifornien entschlüsselten Forscher durch Messung an Nanokristallen bei Raumtemperatur die zuvor unbekannte Struktur eines Proteins, der Cystein-Protease Cathepsin B (Abbildung 8). Das Protein ist lebensnotwendig für den Erreger der Schlafkrankheit, an der in Afrika 30 000 Menschen im Jahr sterben. Die Forscher hoffen, dass das neue Wissen zu einer neuen Therapie gegen den Erreger führt.

Die Lichtpulse des European XFEL werden die Strukturaufklärung mit Nanokristallen deutlich verbessern. Erwartet wird auch, dass sie den Weg ebnen für den großen Traum der Strukturbiologie: die Strukturbestimmung anhand von einzelnen, nicht kristallisierten Molekülen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich mit dem European XFEL deshalb ein extrem effizientes Werkzeug zur Strukturbestimmung, mit dem sie in kürzerer Zeit und mit weniger Aufwand eine große Zahl von Strukturen entschlüsseln können – beispielsweise von Membranproteinen, aus denen sich nur schwer Kristalle mit einer Größe von mehr als einem Mikrometer züchten lassen. So wird der European XFEL unser Verständnis von Krankheitserregern und die Entwicklung von Arzneimitteln deutlich voranbringen.

Biomoleküle sind die Maschinen des Lebens. Wie mechanische Maschinen mit beweglichen Teilen verändern sie ihre Struktur, während sie ihre Aufgaben erfüllen. Diese Veränderungen verfolgen und wie in einem Film ansehen zu können, wäre sehr aufschlussreich. Um von einem bewegten Objekt einen Film herzustellen, benötigt man viele Einzelbilder. Je schneller die Bewegung ist, desto kürzer muss die Belichtungszeit sein – sonst werden die Bilder unscharf – und desto mehr Bilder werden benötigt. Die ultrakurzen Lichtblitze des European XFEL werden solche scharfen Bilder von sehr schnellen Prozessen ermöglichen.