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Das 300 kV-Kryo-Elektronenmikroskop am IST Austria © APA (Wasserfaller)
Das 300 kV-Kryo-Elektronenmikroskop am IST Austria © APA (Wasserfaller)

Kooperationsmeldung

"Coole" Nobelpreis-Mikroskope am IST Austria erlauben tiefe Einblicke

16.10.2019

Mit der Kryo-Elektronenmikroskopie (EM) lassen sich Biomoleküle im atomaren Maßstab beobachten, indem man sie schockgefriert. Für die Entwicklung der Methode wurde 2017 der Chemie-Nobelpreis vergeben. Am Institute of Science and Technology (IST) Austria gibt es die drei österreichweit einzigen solchen Mikroskope, eingeweiht werden sie am 18. Oktober im Rahmen eines wissenschaftlichen Symposiums.

Kryo-Elektronenmikroskopie ist im Prinzip seit den 1970er-Jahren bekannt, ermöglicht aber erst durch jüngere Fortschritte in der Detektortechnik und Software die Bestimmung biomolekularer Strukturen mit atomnaher Auflösung. Entscheidend weiterentwickelt wurde die Methode vom Schweizer Jacques Dubochet, dem in Deutschland geborenen US-Forscher Joachim Frank und dem Briten Richard Henderson, die dafür 2017 den Nobelpreis für Chemie erhielten.

Dreidimensionale Moleküle

Man kann damit große Biomoleküle in den Zellen dreidimensional und mit großer Genauigkeit darstellen. Davor war man auf die Analyse ihrer Einzelteile beschränkt. Die Moleküle werden dazu in Eis eingebracht und quasi eine Vielzahl von Aufnahmen hergestellt. Dies geschieht von verschiedenen Blickwinkeln, und ein Computeralgorithmus rekonstruiert schließlich aus den Einzelbildern ein dreidimensionales Abbild der Strukturen.

Am IST wurden im Herbst 2018 um mehrere Millionen Euro drei Kryo-Elektronenmikroskope in verschiedenen Ausführungen angeschafft und nach und nach in Betrieb genommen. Mit den Geräten lassen sich je nachdem Einzelpartikelanalysen für die Untersuchung von Proteinen und Viren als auch Kryo-EM-Tomografie zur Untersuchung makromolekularer Komplexe in ihrer natürlichen Zellumgebung durchführen, wie der Manager der Electron Microscopy Facility am IST, Ludek Lovicar, erklärt.

Drei Forschungsgruppen nutzen Kryo-EM

Derzeit nutzen am IST die Forschungsgruppen um Carrie Bernecky, Florian Schur und Leonid Sazanov die neue Anlage, die die bestehende Elektronenmikroskopie-Einrichtung ergänzt. Einer der ersten Forscher, der von der Kryo-Technologie profitierte, ist der russischstämmige Biophysiker Sazanov. Der Experte für Mitochondrien (Zellkraftwerke) nutzt Kryo-EM etwa, um "Komplex I" der Atmungskette zu beobachten, ein riesiges Enzym, das eine zentrale Rolle für die zelluläre Energieerzeugung spielt.

Aufsehen erregten Sazanov und sein Kollege Domen Kampjut erst im August mit einer im Fachmagazin "Nature" erschienenen Studie. Die Forscher ermittelten mit Hilfe von Kryo-EM Funktion und Struktur des Stoffwechsel-Enzyms (NNT) der Mitochondrien in fast atomarer Auflösung. Gibt es zu wenig davon, drohen Herzkrankheiten, ist es verändert, kann dies zu schweren Stoffwechselstörungen führen. Mit dem Wissen um die Struktur von NNT könnte man nun passende Hemmstoffe für die Therapie suchen oder kreieren, um fehlerhaftes NNT zu eliminieren.

Zeitgewinn durch Kryo-Methode

Der größte Vorteil der Kryo-Methode liegt für Sazanov im Zeitgewinn, wie er gegenüber APA-Science erklärte: "Wenn wir ein neues Protein aufbereiten, dann können wir nun oft schon innerhalb eines Monats die Daten sammeln und die Struktur bestimmen. Das hat vorher Jahre gedauert." Ganz so einfach, wie das in der Zusammenfassung klingt, ist das im Detail freilich nicht, weiß Facility Manager Lovicar bei einem Lokalaugenschein zu berichten. Er und sein Team gehen den Forschern zur Hand, wenn es um den optimalen Einsatz der Geräte geht. Das geht oft so weit, dass sie als Ko-Autoren in wissenschaftlichen Publikationen aufscheinen.

So wird das 200-Kilovolt-Kryo-Elektronenmikroskop etwa oft nur für ein erstes Sichten einer Probe verwendet, und erst wenn feststeht, dass damit alles passt, kommt sie in das leistungsstärkste Gerät, das 300-kV-Mikroskop. Es braucht langwierige Vorbereitungen und Zwischenschritte, bis aus einer mühsam isolierten Probe von wenigen Mikrolitern ein anschauliches 3D-Bild oder ein Zeitrafferfilm wird, wenn etwa viele solcher Aufnahmen in verschiedenen Stufen biologischer Prozesse gemacht werden.

Zahlreiche Arbeitsschritte

Die Arbeitsschritte von der oft monatelangen Aufbereitung einer Probe durch die Forschungsgruppe bis zur eigentlichen Mikroskopie laufen - stark vereinfacht - zum Beispiel so ab: Eine Zellkultur wird auf ein winziges Metallplättchen mit einer Gitterstruktur aufgetragen und anschließend mit einem Bakterium infiziert. Damit sich die biologische und damit wasserhaltige Probe möglichst lebensnah und ohne Kristallbildung erhält, wird das Plättchen von beiden Seiten mit Filterpapier abgedeckt und mit flüssigem Ethan und/oder Propan schockgefroren. Dabei bildet sich eine glasige Eisschicht um die infizierten Zellen, die eine detaillierte Beobachtung erst möglich macht.

In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Probe in einem eigenen Gerät auf die nötige Dicke von 100 bis 200 Nanometern "zurechtgestutzt" und kommt mit einem per flüssigem Stickstoff gekühlten Zylinder in das Kryo-Elektronenmikroskop. Dort wird sie immer wieder gedreht und in verschiedenen Positionen von einem Elektronenstrahl durchleuchtet, der die Abbildung auf einen Detektor wirft. Aus zahlreichen 2D-Projektionen wird letztlich im Computer ein dreidimensionales Abbild oder auch ein Film generiert.

Wenn auch die Einsatzgebiete von Kryo-EM derzeit hauptsächlich in Strukturbiologie und Chemie liegen, sind die Aussichten mehr als vielversprechend, ist sich Leonid Sazanov sicher: "Ich glaube, mit Kryo-EM könnten wir in den nächsten zehn Jahren die Struktur fast aller Proteine im Menschen untersuchen, die wir noch nicht kennen."

Service: Am 18. Oktober findet am IST Austria das Kryo-EM-Symposium mit sieben internationalen Vortragenden statt. Besichtigt werden kann weiters eine Posterausstellung und die neue Kryo-EM-Anlage. Programm und Informationen unter: http://cryo-em.ist.ac.at

Multimedia

Slideshow: Die Kryo-EM-Facility am IST Austria

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