Gen-Schalter blitzschnell durchleuchtet

Mit einem leistungsstarken Röntgenlaser hat ein internationales Forscherteam erstmals einen Gen-Schalter in Aktion beobachtet. Die Untersuchung unter Leitung von Yun-Xing Wang vom US-Krebs­forschungs­institut (National Cancer Institute) zeigt die ultra­schnelle Dynamik eines sogenannten Ribo­switches, der einzelne Gene an- und ausschalten kann. Die angewendete Methode eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung zahlreicher grund­legender biochemischer Reaktionen.

„Die Untersuchung belegt, dass sich die Struktur­veränderungen, die bei bio­chemischen Reaktionen oder bei Wechsel­wirkungen zwischen Molekülen ablaufen, mit Hilfe leistungs­fähiger Röntgen­laser in Echtzeit aufzeichnen lassen”, erläutert Ko-Autor und DESY-Forscher Henry Chapman vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Die Wissenschaftler haben einen Riboswitch des Bakteriums Vibrio vulnificus untersucht. Dieses ist ein enger Verwandter des Cholera-Erregers und kann schwer zu behandelnde Infektionen auslösen, die häufig tödlich verlaufen. Der Riboswitch wird von einem Signalmolekül aktiviert, einem Liganden – in diesem Fall die Nuklein­base Adenin. Durch die Aktivierung ändert der Riboswitch seine Form. Das Gen, an dem er sich befindet, kann daraufhin nicht mehr abgelesen werden, ist also deaktiviert. Riboswitche gibt es vor allem bei Bakterien und Pilzen, nicht aber bei Säugetieren einschließlich dem Menschen. Diese Gen-Schalter könnten daher aussichts­reiche Angriffs­punkte im Kampf gegen Infektions­krankheiten sein.

Um zu beobachten, wie der Schalter aktiviert wird, kristallisierten die Forscher seinen „Einschalt­knopf“, also den Part, an den das Signal­molekül Adenin bindet. Dieser Knopf ist wissenschaftlich gesprochen ein Aptamer. Das bedeutet, dass seine molekulare Struktur aus einer Sequenz von Nuklein­säuren besteht und nicht wie Proteine aus Amino­säuren. Die winzigen Aptamer-Kristalle schossen die Forscher in den extrem hellen Strahl des Röntgenlasers LCLS am US-Forschungs­zentrum SLAC in Kalifornien. Aus dem Röntgen­streumuster lässt sich die Struktur des Kristalls und damit die seiner Bestand­teile atom­genau berechnen. Daraus ergibt sich in diesem Fall die genaue räumliche Struktur des Aptamers.

In einer neuen, von Chapmans Gruppe entwickelten Apparatur lassen sich die Aptamer-Kristalle mit einer Lösung der Adenin-Signal­moleküle mischen. Das Adenin verteilt sich dabei in den kleinen Kristallen und drückt so gewisser­maßen die Knöpfe der Riboswitche im Kristall. Die Adenin-getränkten Nano­kristalle wurden in den Strahl des Röntgen­lasers injiziert und mit diesem analysiert. Eine Verzögerungs­leitung ermöglichte es dabei, die biochemische Reaktion zu einer kurzen Zeit nach ihrem Beginn festzuhalten.

Auf diese Weise entdeckten die Wissenschaftler einen Zwischen­zustand des Gen-Schalters, der zuvor noch nie beobachtet worden war und im lebenden Organismus vermutlich nur für Milli­sekunden existiert. „Bisherige Experimente am SLAC-Röntgenlaser haben bereits biologische Reaktionen untersucht, die von Licht ausgelöst werden, wie etwa die Photo­synthese. Dieses ist das erste, das in Echtzeit und auf der atomaren Skala eine Reaktion beobachtet hat, die von der chemischen Wechsel­wirkung zweier Biomoleküle ausgelöst wird“, erläutert Wang. „Dies illustriert die einzig­artigen Möglichkeiten von Freie-Elektronen-Röntgenlasern, die so keine andere existierende oder absehbare Technologie bieten kann. Sie sind wie eine Kamera mit sehr kurzer Belichtungs­zeit, so dass sich jede Bewegung eines Biomoleküls in der Aktion einfangen lässt.“ Die Untersuchung zeigt, dass das Konzept der „Mix-and-Inject“-Kristallo­graphie funktioniert, wie Chapman betont, der auch Professor an der Universität Hamburg und Mitglied im Hamburger Exzellenzcluster Center for Ultrafast Imaging (CUI) ist.

Mit der Konformationsänderung der Aptamere änderte sich die Struktur und Symmetrie des gesamten Kristalls. Das geht nur bei sehr kleinen Kristallen, da größere durch die inneren Spannungen zerbrechen würden, die solche Form­änderungen mit sich bringen. Außerdem kann sich nur in sehr kleinen Kristallen das Signal­molekül ausreichend schnell und gleichmäßig verteilen, so dass eine Untersuchung möglich wird. Derartige Nanokristalle erfordern extrem intensive Röntgenblitze zur Analyse, wie sie von Freie-Elektronen-Lasern wie LCLS oder dem European XFEL erzeugt werden, der zurzeit in der Metropolregion Hamburg in Betrieb genommen wird und dessen Haupt­gesellschafter DESY ist.

„So gut wie alle Proteine, RNA und DNA interagieren mit Liganden oder Substraten und durchlaufen bestimmte Konformations­änderungen bei der Reaktion. Die Möglichkeit, diese Änderungen zu beobachten, ist eine Voraussetzung, um zu verstehen, wie Bio­makro­moleküle ihre Funktion ausführen“, sagt Wang. „Bisher hat man diese Art von Reaktionen indirekt untersucht, bis auf sehr begrenzte Fälle, in denen die Konformations­änderungen sehr klein waren und den Kristall nicht zerbrochen haben. Mit unserer Methode können wir nun die Strukturen und Änderungen in einer viel breiteren Auswahl von biochemischen Wechsel­wirkungen und Reaktionen in Echtzeit beobachten.“

DESY / DE