Zeitaufgelöste Kristallographie für jedermann

Wissenschaftler aus vier Forschungs­einrichtungen in Hamburg haben einen bahn­brechenden Versuchs­aufbau entwickelt. Ihr neuer „Spitrobot“ erlaubt eine erheblich vereinfachte Beobachtung von Veränderungen in Proteinen während diese ihre Funktionen ausüben. Damit wird die zeit­auf­gelöste Kristallo­graphie auch für nicht spezialisierte Forscher­gruppen zugänglich, denn die Proben können nun in Standard­laboren vorbereitet und an anderer Stelle mit automa­ti­sierten, etablierten Hoch­durch­satz­methoden bearbeitet werden. Das Gerät wird die Grundlagen­forschung im Gesundheits­bereich beschleunigen.

Für die Entwicklung künftiger Medikamente und neuer biotechno­logischer Anwendungen ist es von grund­legender Bedeutung, dass Wissen­schaftler Veränderungen in Proteinen verstehen, während diese statt­finden. Bislang können zwar der Anfang und das Ende der Reaktion betrachtet werden, meist fehlen jedoch die vielen Zwischen­schritte. Der einfachste Weg, diese Schritte zu visua­li­sieren, besteht darin, Schnapp­schüsse des Proteins während der gesamten Reaktion aufzunehmen. Viele solcher Schnapp­schüsse zusammen­ge­nommen ergeben dann eine Art 3D-Film, der die Veränderungen der Protein­struktur zeit­auf­ge­löst aus allen Blickwinkeln zeigt.

Momentan erfordern solche Experimente den direkten Zugang zu Teilchen­beschleunigern sowie komplexe Versuchs­aufbauten, die vielen Forschern nicht zur Verfügung stehen. Deshalb haben Wissen­schaftler der Uni Hamburg, des MPI für Struktur und Dynamik der Materie, des Europäischen Laboratoriums für Molekular­biologie und des Universitäts­klinikums Hamburg-Eppendorf eine andere und weitaus zugäng­lichere Alternative entwickelt – eben den Spitrobot.

Der Roboter vereinfacht den gesamten Proben­vor­bereitungs­prozess dramatisch, von der anfäng­lichen Fixierung der Protein­kristalle und dem Starten der Reaktion bis hin zur präzisen Vitri­fi­zierung der Proteine in verschiedenen Stadien ihrer Umwandlung. Die Reaktionen werden durch einfaches Aufsprühen der Substrat­lösung auf das Target eingeleitet – eine Technologie, die zuvor vom selben Team entwickelt wurde. Durch die Vitri­fi­zierung der Proben entkoppelt der Spitrobot die Proben­vor­bereitung von der Daten­erfassung.

Die Verwendung von Industrie­standards gewährleistet den bequemen Versand der Proben und ihre Kompati­bi­lität mit den an Synchrotrons und anderen Einrichtungen üblichen Hoch­durch­satz­routinen. So kann das Experiment in Standard­labors ohne unmittel­baren Zugang zu Lichtquellen durch­ge­führt werden, was für die meisten Forschern in der Struktur­biologie einen bedeutenden Vorteil darstellt.

„Der Spitrobot wird die Erforschung enzyma­tischer Mechanismen erheblich beschleunigen“, so Pedram Mehrabi von der Uni Hamburg. „Er ermöglicht es nicht­speziali­sierten Gruppen, Experimente durch­zu­führen, die bisher nur von Experten durch­geführt werden konnten. Dies sollte zu einer viel breiteren Anwendung eines wirklich schwierigen Experiments führen.“

„Wir haben den Spitrobot mit Blick auf das typische struktur­biologische Labor entwickelt“, erklärt Eike Schulz vom UKE. „Deshalb haben wir eine viel­seitige, robuste und einfache Lösung angestrebt, die es ermöglicht, sowohl mit großen als auch mit kleinen Kristallen zu arbeiten und die einfachste Art der Reaktions­auslösung mit der Fähigkeit kombiniert, die Zeitskalen der meisten Enzyme abzudecken. Damit kann nun ein breiteres Spektrum an Frage­stellungen von der Biotechno­logie bis hin zur medizinischen Grund­lagen­forschung von viel mehr Forschungs­gruppen bearbeitet werden.“

MPSD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Mehrabi et al.: Millisecond cryo-trapping by the spitrobot crystal plunger simplifies time-resolved crystallography, Nat. Commun. 14, 2365 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-37834-w
• Institut für Nanostruktur und Festkörperphysik, Universität Hamburg
• Maschinenphysik, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg
• Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie Hamburg
• Universitätsklinikum Eppendorf, Hamburg