Chemie-Nobelpreis 2017 für eine eigentlich unmögliche Methode

Bild: © Martin Högbom/The Royal Swedish Academy of Sciences

Noch bevor Göran Hansson die Namen der diesjährigen Träger des Nobelpreises für Chemie bekannt gab, ließ er verschmitzt durchblicken, dass es um eine „coole Methode zum Abbilden der Materialien des Lebens“ geht. Tatsächlich sind die Preisträger – Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson – Pioniere der Kryo-Elektronenmikroskopie. Ihre Technik, habe „die Biochemie in eine neue Ära geführt“, so die Begründung für die Preisvergabe.

Sanfte Schnappschüsse mit atomarer Auflösung

Die Elektronenmikroskopie an sich ist schon sehr lange bekannt. Der Physiker Ernst Ruska baute 1931 das erste Mikroskop, das mit Elektronen- statt mit Lichtstrahlen arbeitete. Dafür erhielt 55 Jahre später den Physik-Nobelpreis. Lange Zeit dachte man, diese Technik sei wegen der nur geeignet, um unbelebte Materie zu untersuchen, denn die Elektronenstrahlen waren zu stark für die empfindlichen Biomoleküle.

Jedoch gelang es Richard Henderson im Jahr 1990 ein so „sanftes“ Elektronenmikroskop zu bauen, dass er ein dreidimensionales Bild eines Eiweißes erhielt, in atomarer Auflösung. Das räumliche Bild erhielt er durch eine Technik, die Joachim Frank entwickelte und verfügbar machte. Ein Computerprogramm berechnete die räumliche Struktur aus den Bildern der vielen Moleküle, die in verschiedenen Positionen unter dem Mikroskop liegen.

Jacques Dubochet schließlich fügte Wasser hinzu, das natürliche Element, in dem sich die meisten Biomoleküle bewegen. Dadurch wurde es möglich, biologische Moleküle schockartig einzufrieren, während sie ihre Funktion ausüben und sie anschließlich Atom für Atom abzubilden.

So sehen Viren aus. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie gelangen Jacques Dubochet 1984 die ersten Bilder von Viren in glasartig erstarrtem Wasser. 33 Jahre erhält er dafür den Chemie-Nobelpreis. Bild: M. Adrian et al., Nature 1984, (308), 32-36

„Unmögliches“ Wasser

Flüssiges Wasser verdampft sehr schnell im Vakuum eines Elektronenmikroskops, die Moleküle verlieren dabei ihre Struktur. Gefrorenes Wasser wiederum bildet oft Eiskristalle, die mit ihren scharfen Kanten die empfindlichen Moleküle beschädigen. Jacques Dubochet jedoch einen Ausweg: Er kühlte die in einem hauchdünnen Wasserfilm gelöste Probe blitzartig auf -196 Grad Celsius ab, in der sie in flüssiges Ethan schoss. Das Wasser kühlt dabei derart schnell ab, dass keine Eiskristalle wachsen können. Stattdessen erstarrte das Wasser und bildete eine Art Glas – was bis dahin als völlig unmöglich galt. Heute geht man davon aus, dass dieses glasartige Wasser die Form von Wasser ist, die am häufigsten im Universum vorkommt. Mit dieser Technik gelangen Dubochet die ersten Bildaufnahmen von Viren in glasartig erstarrtem Wasser.

Erst belächelt, dann begehrt

Viele Jahrzehnte lang wurde diese Methode als „Blobology“ verspottet. Die Bildauflösung war so schlecht, dass die meisten Moleküle nur als Kleckse („Blobs“) zu erkennen waren. Doch mit dem Fortschreiten der Technik wurden die Kleckse immer kleiner, bis schließlich 2013 die einzelnen Atome abgebildet werden konnten.

Heute wird die Kryo-Elektronenmikroskopie routinemäßig eingesetzt, um Membran-Proteinen oder großen molekularen Komplexe bei der Arbeit „über die Schulter zu schauen“. Kleine Moleküle können zwar nicht mit dieser Technologie untersucht werden, aber dafür gibt es mit der NMR-Spektroskopie und der Röntgen-Kristallographie andere Messmethoden, die diese Lücke schließen.

Die drei Preisträger teilen sich das Preisgeld von 9 Millionen Schwedischen Kronen (umgerechnet ca. 940.000 Euro) und haben sich mit ihren Visionen und ihrer Beharrlichkeit die höchste wissenschaftliche Ehrung verdient.

Bild: Lovisa Engblom/The Royal Swedish Academy of Sciences

Hinterlasse jetzt einen Kommentar

Kommentar verfassen