Vom Higgs-Teilchen zu neuen Medikamenten

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Erforschung von Proteinstrukturen

Im Kristallografie-Labor bestimmen Wissenschaftler des PSI, Gastwissenschaftler und nicht zuletzt Forschende aus der Industrie die Struktur verschiedenster Proteine. Proteine sind komplexe biologische Moleküle in den Körperzellen; man nennt sie auch die Bausteine des Lebens. Jede Proteinart hat eine spezifische Aufgabe im Organismus. Proteine bestehen aus Tausenden von Atomen, die vielschichtig angeordnet sind. Die komplexe Struktur der Proteine bestimmt dabei ihre jeweilige Funk­tions­weise im Körper und ist daher für Forschende von grossem Interesse. Unter anderem ist die Pharma­industrie an der Struktur entscheidender Proteine interessiert, um Medikamente entwickeln zu können, die massgeschneidert nur auf diese ganz spezifischen Proteine einwirken.

Eine jüngst anvisierte Strategie besteht beispielsweise darin, ein Protein zu hemmen, das die DNA von Bakterien vervielfacht. Dieses bakterielle Protein ähnelt dem entsprechenden menschlichen Protein zwar stark. Doch wenn der feine Unterschied im Detail bekannt ist, lässt sich womöglich ein Präparat entwickeln, das nur die bakteriellen Proteine angreift.

Allerdings ist die exakte Struktur der Proteine wegen ihrer Komplexität sehr schwer zu bestimmen. Ein übliches Verfahren ist die Röntgenstrahl-Kristallografie. Hierfür werden zunächst aus vielen Exemplaren eines Proteins mikrometerkleine Kristalle gezüchtet. Diese lassen sich dann mit einem sehr feinen und sehr intensiven Röntgenstrahl untersuchen. Einen solchen Strahl liefern weltweit nur wenige Anlagen, darunter die SLS. Mit dieser Methode lässt sich auf die Anordnung der Atome und somit auf die Struktur des untersuchten Proteins schliessen. An der SLS konnte in den vergangenen zehn Jahren die Struktur von rund 4000 verschiedenen Proteinen entschlüsselt werden. Damit zählt die SLS weltweit zu den produktivsten Anlagen dieser Art.

Schnelle Bilder und hunderte von Kristallen

Doch schon das Kristallwachstum birgt Tücken. «Oft müssen Hunderte von Kristallen gezüchtet und untersucht werden, um darunter einen zu haben, der in der Röntgenstrahlbeugung ein scharfes und somit brauchbares Bild liefert», erklärt Vincent Olieric, Wissenschaftler im Kristallografie-Labor an der SLS. Um all diese Kristalle in vertretbarer Zeit vermessen zu können, muss erstens der Wechsel zwischen den einzelnen Proben sehr schnell gehen. «Per Hand würde das viel zu lange dauern», erklärt Olieric, «daher wechselt bei uns ein Roboterarm einen Kristall gegen den nächsten aus – und zwar in unter einer Minute.»

Zweitens muss die Messzeit jeder einzelnen Probe kurz sein. Hier profitieren die Forschenden von der extrem schnellen Bildverarbeitung des Eiger. «Die komplette Messung jedes einzelnen Kristalls dauert nur wenige Minuten», sagt Olieric.

So gibt die Schnelligkeit des Eiger den Forschenden eine reale Chance, den einen brauchbaren Kristall unter vielen zu finden und damit die Struktur selbst der komplexesten Proteine zu entschlüsseln. Damit könnte der Eiger eines Tages helfen, den Weg zu neuen Arzneimitteln aufzuzeigen, darunter auch Alternativen zu Antibiotika – ein Forschungsgebiet, das im Zeitalter zunehmender Antibiotikaresistenzen von zentraler Bedeutung ist. SMM

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