Laser verbessert die Zeitauflösung von CryoEM
2017 erhielten Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson den Nobelpreis in Chemie für ihre Beiträge zur Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), einer bildgebenden Technik, die Bilder von Biomolekülen wie Proteinen mit atomarer Präzision aufnehmen kann.
Bei der Kryo-EM werden Proben in glasartiges Eis eingebettet, das entsteht, wenn Wasser so schnell gefroren wird, dass keine Kristallisation stattfinden kann. Wenn die Probe verglast ist, können hochauflösende Bilder ihrer molekularen Struktur mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen werden, einem Instrument, das Bilder mit einem Elektronenstrahl anstelle von Licht erzeugt.
Die Kryo-EM hat neue Dimensionen in Life Sciences, Chemie und Medizin eröffnet. Zum Beispiel wurde sie kürzlich eingesetzt, um die Struktur des SARS-CoV-2-Spike-Proteins zu kartieren, das das Ziel vieler COVID-19-Impfstoffe ist.
Proteine verändern in der Zelle ständig ihre 3D-Struktur. Diese Konformationsumlagerungen sind für Proteine unerlässlich, um ihre spezialisierten Funktionen auszuführen, und finden innerhalb von Millionstel- bis Tausendstel-Sekunden statt. Solche Bewegungen sind zu schnell, um mit den derzeitigen Kryo-EM-Protokollen in Echtzeit beobachtet zu werden, wodurch unser Verständnis von Proteinen unvollständig ist.
Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung von Ulrich Lorenz an der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL hat jedoch eine Kryo-EM-Methode entwickelt, die Bilder von Proteinbewegungen auf der Zeitskala von Mikrosekunden (ein Millionstel einer Sekunde) erfassen kann. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Chemical Physics Letters veröffentlicht .
Bei der Methode wird die verglaste Probe mit einem Laserpuls schnell geschmolzen. Wenn das Eis zu einer Flüssigkeit schmilzt, gibt es ein einstellbares Zeitfenster, in dem die Proteine dazu gebracht werden können, sich so zu bewegen, wie sie es in ihrem natürlichen flüssigen Zustand in der Zelle tun.
«Normalerweise führt das Erwärmen einer Kryoprobe dazu, dass sie entvitrifiziert», sagt Ulrich Lorenz, «aber wir können dieses Hindernis überwinden, indem wir die Probe schnell aufschmelzen.»
Nach dem Laserpuls wird die Probe in wenigen Mikrosekunden wieder vereist, wobei die Teilchen in ihrer transienten Konfiguration eingefangen werden. In diesem «angehaltenen» Zustand können sie nun mit herkömmlichen Kryo-EM-Methoden beobachtet werden.
«Die Anpassung der Zeitauflösung von Kryo-EM an die natürliche Zeitskala von Proteinen wird es uns ermöglichen, Prozesse direkt zu untersuchen, die bisher unzugänglich waren», sagt Lorenz.
Das Forschendenteam testete seine neue Methode, indem es die Proteine nach einer strukturellen Schädigung zerlegte und in teilweise enträtselten Konfigurationen einfing.
