Virus auf dem Röngten-Seziertisch

Ein internationales Forscherteam hat erstmals mit einem Röntgenlaser die atom­genaue Struktur eines intakten Virus­partikels entschlüsselt. Die verwendete innovative Methode reduziert die für die Analyse nötige Menge an Virusmaterial drastisch und beschleunigt die Untersuchung um ein Vielfaches. Dies eröffne völlig neue Forschungs­möglichkeiten, berichtet das Team unter der Leitung von DESY-Wissenschaftler Alke Meents.

In der Strukturbiologie untersuchen Forscher die räumliche Struktur von Biomolekülen, um daraus deren Funktions­weise zu entschlüsseln. Dieses Wissen nützt dem Verständnis fundamentaler biologischer Vorgänge im Organismus wie beispielsweise dem Transport von Material in die und aus der Zelle und kann auch zur Entwicklung neuer Medikamente beitragen: „Die Kenntnis der dreidimensionalen Struktur eines Proteins gibt einzig­artige Einblicke in seine biologische Funktion“, erläutert Koautor David Stuart, Life-Science-Direktor am britischen Synchrotron Diamond Light Source und Professor an der Universität Oxford. „Wenn wir beispiels­weise die Struktur eines Proteins kennen, mit dem sich das Virus an eine Zelle ‚anhakt‘, versetzt uns das möglicherweise in die Lage, einen Schutz für die Zelle zu entwickeln, sodass das Virus unfähig ist, sie anzugreifen.“

Die bei weitem ergiebigste Methode der Strukturbiologie ist die Röntgen­kristallo­graphie, mit der bereits tausende Strukturen von Biomolekülen bestimmt worden sind. Hierbei werden kleine Kristalle aus den zu untersuchenden Proteinen gezüchtet und mit hoch­energetischem Röntgenlicht beleuchtet. Die Kristalle streuen die Röntgenstrahlung auf charakteristische Weise, sodass sich aus den entstehenden Beugungs­mustern die räumliche Struktur des Kristalls – und somit seiner Bestandteile – atomgenau berechnen lässt. Allerdings sind Proteinkristalle nicht so stabil und unempfindlich wie beispielsweise Salz­kristalle. Sie sind schwer zu züchten, bleiben oft winzig klein und werden schnell von der energiereichen Röntgen­strahlung beschädigt.

„Röntgenlaser haben einen neuen Zugang zur Protein-Kristallo­graphie ermöglicht, weil sich mit ihren extrem intensiven Blitzen auch noch winzigste Kristalle analysieren lassen, die an anderen Röntgen­licht­quellen kein ausreichend helles Streubild erzeugen“, betont Armin Wagner von der Diamond Light Source, ebenfalls Koautor der Studie. Jeder dieser Mikro­kristalle kann allerdings nur ein einziges Streubild liefern, weil er danach im Röntgenlaserblitz verdampft. Für eine Strukturanalyse sind in der Regel aber hunderte bis tausende Streubilder nötig. Daher schießen Forscher bei derartigen Untersuchungen in der Regel einen feinen Flüssigkeitsstrahl mit Proteinkristallen durch den gepulsten Laser, der in schneller Folge ultra­kurze Röntgen­blitze abfeuert. Jedes Mal, wenn ein Röntgenblitz zufällig einen Mikro­kristall trifft, entsteht ein Streubild und wird aufgezeichnet.

Das Problem bei dieser grundsätzlich sehr erfolgreichen Methode, mit der bereits die Strukturen von mehr als 80 Biomolekülen entschlüsselt worden sind: „Die Treffer­quote liegt typischerweise bei unter einem Prozent der Röntgen­blitze, womit die meisten der kostbaren Mikro­kristalle ungenutzt im Auffang­behälter landen“, sagt Meents vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft. Die bisher angewandten Methoden benötigen daher typischerweise mehrere Stunden Messzeit und deutlich mehr Proben­material, um die Struktur zu entschlüsseln.

Um die kostbare Messzeit und das Probenmaterial effizienter einzusetzen, hat das Team um DESY-Physiker Meents ein neues Verfahren entwickelt: Die Wissenschaftler verwenden einen mikro­strukturierten Chip mit tausenden winzig kleiner Poren, auf die sich die Protein­kristalle verteilen. Der Chip wird mit dem Röntgenlaser dann so abgerastert, dass im Idealfall mit jedem Schuss des Lasers ein Streubild aufgenommen wird.

Die Forscher testeten ihre Methode mit zwei unterschiedlichen Viren am Röntgenlaser LCLS des US-Forschungs­zentrums SLAC, der 120 Röntgenblitze pro Sekunde liefert. Sie beluden ihren Probenhalter mit einer kleinen Menge an Mikro­kristallen des Bovinen Enterovirus 2 (BEV2), welches Fehl- und Totgeburten sowie Unfrucht­barkeit bei Rindern auslösen kann und schwer zu kristallisieren ist. Bei der Untersuchung erzielten die Wissenschaftler eine Treffer­quote von bis zu neun Prozent. In nur 14 Minuten sammelten sie so genug Daten, um die – bereits aus Untersuchungen an konventionellen Röntgen­licht­quellen bekannte – Struktur des Virus mit einer Detail­genauigkeit von 0,23 Nanometern zu bestimmen.

„Unseres Wissens ist dies die erste atomgenaue Struktur eines intakten Viruspartikels, die an einem Röntgenlaser bestimmt werden konnte“, betont Meents. „Während frühere Untersuchungen an anderen Röntgen­licht­quellen Kristalle mit einem Gesamtvolumen von 3,5 Nanolitern benötigt haben, sind wir mit sehr viel kleineren Kristallen mit einem Gesamt­volumen von 228 Pikolitern ausgekommen. Das ist über zehn Mal weniger.“

Die Untersuchung der Virus-Kristalle erfolgte dabei bei Raumtemperatur. Eine Tiefkühlung, welche in der Röntgen­kristallo­graphie normalerweise eingesetzt wird, um Strahlen­schäden an den Protein­kristallen zu verringern, ist für die hoch­empfindlichen Kristalle von Viren oft nicht möglich. Kristalle, die aus einzelnen Virusproteinen bestehen, sind hingegen robuster und können sich gut kühlen lassen. In einem zweiten Test untersuchte das Forscher­team um Meents daher das Virus-Protein Polyhedrin, welches als Grundbaustein für einen porösen Container dient, in dem sich bis zu mehrere Tausend Virus­partikel verschanzen können. Die Viren nutzen diese Container als Schutz vor externen Umwelt­einflüssen und sind somit in der Lage, auch bei widrigsten Bedingungen über längere Zeit intakt zu bleiben.

Die Wissenschaftler beluden ihren Chip mit Polyhedrin-Kristallen und untersuchten sie mit dem Röntgenlaser, während der Chip bei Temperaturen unter minus 180 Grad Celsius gehalten wurde. Bei dieser Untersuchung erreichten die Forscher eine Treffer­quote von bis zu 90 Prozent. In nur zehn Minuten hatten sie mehr als genug Streubilder des Polyhedrins aufgezeichnet, um die Protein­struktur auf 0,24 Nanometer genau bestimmen zu können. „Für die Polyhedrin-Struktur haben wir nur einen einzigen Chip abscannen müssen, der mit vier Mikrogramm Protein­kristallen beladen war. Das ist Größen­ordnungen unter der üblicherweise benötigten Menge“, erläutert Meents.

„Unser Ansatz reduziert nicht nur den Bedarf an Messzeit und Proben­menge drastisch, er eröffnet auch die Möglichkeit, Viren mit Röntgen­lasern zu analysieren“, fasst Meents zusammen. In einem nächsten Schritt planen die Wissenschaftler, die Kapazität ihres Chips von 22.500 auf rund 200.000 Mikroporen fast zu verzehnfachen und die Scan­geschwindigkeit auf bis zu tausend Proben pro Sekunde weiter zu erhöhen. Dies würde es erlauben, die Möglichkeiten des europäischen Röntgenlasers European XFEL besser zu nutzen, der zurzeit in der Region Hamburg in Betrieb geht und bis zu 27.000 Röntgen­blitze pro Sekunde erzeugen soll. Außerdem soll bei der nächsten Generation des Chips jeweils nur diejenige Mikropore freiliegen, die gerade untersucht wird, um die übrigen Kristalle vor Schäden durch Streustrahlung des Röntgenlasers zu schützen.

An der Untersuchung waren auch Forscher der Universität Oxford, der Universität von Ostfinnland, des schweizerischen Paul-Scherrer-Instituts, des Lawrence Berkeley National Laboratorys und von SLAC in den USA beteiligt. Forscher der Diamond Light Source haben bei dieser Entwicklung eng mit DESY-Wissenschaftlern zusammen­gearbeitet, wesentliche Teile der Entwicklung und Tests des mikro­strukturierten Chips haben an den Messstationen I02 und I24 bei Diamond stattgefunden.

DESY / DE