Revolutionäres Kryo-EM erobert die Strukturbiologie

Eine revolutionäre Technik zur Bestimmung der 3D-Form von Proteinen erlebt einen Boom. Letzte Woche hat eine Datenbank, die Protein- und andere Molekülstrukturen sammelt, die mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bestimmt wurden, ihren 10.000sten Eintrag erhalten.

Die Zahl der Einträge in die Elektronenmikroskopie-Datenbank (EMDB) – ein beliebtes Archiv für Strukturen, die mit Hilfe der Elektronenmikroskopie gelöst wurden – hat in den letzten Jahren exponentiell zugenommen, was vor allem auf die explosionsartige Zunahme der Zahl der Kryo-Elektronenmikroskope in den Labors weltweit zurückzuführen ist (siehe „Strukturdetektive“). In der EMDB werden auch Strukturen erfasst, die mit anderen Mikroskopieverfahren gelöst wurden, aber die überwiegende Mehrheit verwendet Kryo-EM.

Bei dieser Technik werden Lösungen von Proteinen oder anderen Biomolekülen im Schnellverfahren eingefroren und dann mit Elektronen beschossen, um Mikroskopbilder einzelner Moleküle zu erzeugen. Diese werden verwendet, um die 3D-Form oder -Struktur des Moleküls zu rekonstruieren. Solche Strukturen sind nützlich, um herauszufinden, wie Proteine funktionieren, wie sie bei Krankheiten versagen und wie man sie gezielt mit Medikamenten behandeln kann.

Jahrzehntelang bevorzugten Strukturbiologen die Röntgenkristallographie, eine Technik, bei der Proteine kristallisiert, mit Röntgenstrahlen beschossen und ihre Form aus den daraus resultierenden verräterischen Mustern des gebeugten Lichts rekonstruiert werden. Die Röntgenkristallografie liefert qualitativ hochwertige Strukturen, ist aber nicht bei allen Proteinen einfach anzuwenden – bei einigen dauert es Monate oder Jahre, bis sie kristallisieren, und andere kristallisieren überhaupt nicht. Für die Kryo-EM sind keine Proteinkristalle erforderlich, aber die Technik war nicht sehr erfolgreich, da sie dazu neigte, Strukturen mit geringer Auflösung zu erzeugen – einige Wissenschaftler nannten sie Blobologie.

Bild perfekt

Durchbrüche bei Hard- und Software in den Jahren 2012-13 brachten empfindlichere Elektronenmikroskope und ausgefeilte Software zur Umwandlung der aufgenommenen Bilder in schärfere Molekularstrukturen hervor (siehe „Feine Details“). Dies ebnete den Weg für das derzeitige Wachstum der Kryo-EM, sagt Sjors Scheres, ein Strukturbiologe und Spezialist für diese Technik am MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge, Großbritannien.

Richard Henderson, ein Strukturbiologe am LMB, der 2017 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit zur Entwicklung dieser Technik erhielt, sagt, dass selbst nach diesen Fortschritten das Wachstum zunächst langsam war, weil nur eine kleine Anzahl von Labors Zugang zu der Ausrüstung hatte. Doch als sie begannen, mit Hilfe der Kryo-EM detaillierte Karten von Molekülen wie dem Ribosom – der Proteinproduktionsmaschine der Zellen – zu erstellen, wurden andere Wissenschaftler sowie ihre Institutionen und Geldgeber schnell aufmerksam. „All die Leute, die in andere Dinge investiert und falsche Entscheidungen getroffen hatten, brauchten ein Jahr, um aufzuholen“, sagt Henderson.

Er schätzt, dass bis 2024 mehr Proteinstrukturen durch Kryo-EM als durch Röntgenkristallografie bestimmt werden. Die Kryo-EM hat die Röntgenkristallographie bereits für eine Kategorie von Proteinen verdrängt, an der Wissenschaftler besonders interessiert sind – jene, die in Zellmembranen eingebettet sind. Viele dieser membrangebundenen Proteine sind in Krankheiten verwickelt und dienen als Angriffspunkte für Medikamente.

Fortgeschrittene Bildgebung

Die Strukturen von Molekülen, die durch Kryo-EM bestimmt werden, werden dank ständiger Verbesserungen der Hard- und Software ebenfalls immer detaillierter, sagt Scheres.

Anfänglich waren die schärfsten Kryo-EM-Strukturen von hochstabilen Proteinen, die verwendet wurden, um die Grenzen der Technologie zu testen. Doch Scheres hat festgestellt, dass Forscher zunehmend sehr hoch aufgelöste Strukturen von medizinisch wichtigen Molekülen wie Zellmembranproteinen erhalten, auch wenn diese dazu neigen, umherzuschwanken.

„Wir kommen jetzt an den Punkt, an dem die einfachen Proben fertig sind und die Leute sich mit komplexeren Problemen befassen“, sagt Ardan Patwardhan, ein Strukturbiologe am European Molecular Biology Laboratory-European Bioinformatics Institute in Hinxton, Großbritannien, der das Team leitet, das die EMDB betreibt.

Henderson erwartet, dass der Boom bei den Kryo-EM-Strukturen irgendwann nachlassen wird. Ein Faktor, der das Wachstum bremsen könnte, sind die hohen Kosten für die leistungsstärksten Mikroskope, die 5 Millionen Pfund (7 Millionen US-Dollar) übersteigen können. Außerdem kostet ihr Betrieb täglich Tausende von Pfund und sie erfordern spezielle Labors, die Vibrationen minimieren. Henderson setzt sich dafür ein, Firmen davon zu überzeugen, billigere, aber dennoch nützliche Mikroskope zu entwickeln, mit denen die Technik noch weiter verbreitet werden könnte. „Im Moment kann man nicht viel falsch machen, wenn man mehr in die Kryo-EM investiert“, sagt er.