EIN PROTEIN, IM FLUG VON EINEM RÖNTGENBLITZ ERWISCHT

Um zu verstehen, wie ein Protein funktioniert, würden Biologen ihm gern dabei zusehen, wie es seine Form ändert. Dazu muss man ein einzelnes Molekül aus vielen Winkeln betrachten, mit Strahlung sehr kurzer Wellenlänge. Das Problem: Elektronen und Röntgenstrahlen, die einzigen ausreichend starken Sonden, beschädigen auch das Molekül, das sie abbilden. Die Kryo-Elektronenmikroskopie umgeht das, indem sie Tausende Moleküle in Eis einfriert und viele verrauschte Bilder mittelt.

Röntgenstrahlen deponieren pro Streuereignis etwa tausendmal mehr Energie als Elektronen. Doch es gibt ein Schlupfloch, bekannt als „Beugung vor Zerstörung“: Mit einem Puls eines Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers, der nur wenige Femtosekunden dauert, wird das Muster des gestreuten Lichts aufgezeichnet, bevor das Molekül Zeit hat auseinanderzufliegen. Das Molekül muss weder eingefroren noch gehalten werden – es lässt sich im Flug erwischen. Bislang hatte das bei großen Viren funktioniert. Ein einzelnes Protein, mit harter Röntgenstrahlung in 3D abgebildet, war außer Reichweite geblieben.

Regenwurmblut im Vakuum

Ein großes internationales Team unter Leitung von Paul Lourdu Xavier und Henry Chapman vom DESY in Hamburg wählte zusammen mit dem European XFEL und Dutzenden Einrichtungen weltweit Erythrocruorin: ein riesiges Hämoglobin, gereinigt aus dem Blut von rund hundert Regenwürmern. Es wiegt 3,6 Megadalton und hat eine hochsymmetrische Form, zwei gestapelte Ringe mit einem Loch in der Mitte.

Die Proteine wurden zu feinen Tröpfchen versprüht, neutralisiert und zu einem schmalen Strahl gebündelt, der mit etwa 100 Metern pro Sekunde durch eine Vakuumkammer flog. Helium wurde zugesetzt, um das Hintergrundleuchten von Restgas zu verringern. Quer durch diesen Strahl feuerten Pulse des European XFEL in Schenefeld: Röntgenphotonen von 6 Kiloelektronenvolt, gebündelt auf einen Fleck von 180 mal 220 Nanometern, jeder Puls etwa 25 Femtosekunden lang.

Jeder Blitz ionisiert etwa drei Viertel der Atome im Molekül – doch er ist vorbei, bevor die dadurch ausgelöste Explosion das Bild verwischen kann.

270 Millionen Bilder für eine Form

In 21 Stunden zeichnete der Detektor 270 Millionen Bilder auf.
Nur 188.557 davon – 0,07 % – enthielten ein Beugungsmuster, meist von einem einzelnen Protein.
Die besten 50.000 wurden in 144 Gruppen ähnlicher Blickwinkel sortiert, was flache Projektionsbilder mit etwa 15 Ångström Auflösung ergab.
Aus 26.908 ausgewählten Mustern rekonstruierte das Team die Beugung in drei Dimensionen und behielt dann die 1.248 saubersten, um eine 3D-Karte der Elektronen des Proteins mit etwa 20 Ångström zu berechnen. Sie zeigt das zentrale Loch und die sechszählige Symmetrie, die aus der bekannten Struktur zu erwarten ist.

Ein Protein, das im Flug schrumpft

Alle 3D-Rekonstruktionen fielen kompakter aus als die bekannte Kristallstruktur, vor allem entlang der kurzen Achse. Das Team führte das auf das Vakuum selbst zurück: Außerhalb des Wassers zieht sich das Protein zusammen. Computersimulationen des ganzen Moleküls stimmen damit überein – es schrumpft in seiner ersten Nanosekunde um 2,5 %, danach langsamer. Diese Unterschiede zwischen den Molekülen sind wahrscheinlich der Grund, warum das 3D-Bild unschärfer ist als die 2D-Bilder.

Die Autoren nennen die nächsten Schritte: die Proteine vor diesem Kollaps schützen, mit kleineren Tröpfchen, einer kürzeren Flugstrecke oder Schockgefrieren oder indem man sie in einem ultradünnen Flüssigkeitsfilm zuführt; dazu stabilere, kürzere und stärkere Röntgenpulse. Simulationen zeigen, dass Strahlenschäden umso mehr ins Gewicht fallen werden, je schärfer die Bilder werden.

Auf dem Weg zu Filmen einzelner Moleküle

Zwanzig Ångström sind weit davon entfernt, Atome sichtbar zu machen. Doch die Autoren beschreiben dies als ein Ziel, das fast drei Jahrzehnte lang verfolgt wurde: ein einzelnes, isoliertes Protein, mit harter Röntgenstrahlung in drei Dimensionen abgebildet, ohne Kristalle und ohne Einfrieren. Das Versprechen dahinter ist die Zeit – ein Protein anzustoßen und es mitten in der Bewegung einzufangen, Blitz für Blitz.