Proteinkristallographie an BESSY II: ein Werkzeug zur Entschlüsselung von Lebensbausteinen
Über 4.000 Strukturen wurden an BESSY II entschlüsselt (Stand Dezember 2022), hier kann man sich ein Bild davon machen
BESSY II ist eine hochbrillante Röntgenlichtquelle für die Forschung. Mit diesem speziellen Röntgenlicht können wir auch Proteine untersuchen, die in Viren, Bakterien oder Zellen eine wichtige Rolle spielen.
Proteine sind an allen Prozessen in lebenden Organismen beteiligt. Sie sind riesige Moleküle (Makromoleküle), die aus hunderten von Aminosäuren aufgebaut sind. Dabei entsteht eine hochkomplexe dreidimensionale Architektur. Teile dieser Makromoleküle sind gefaltet, andere sehen wie Schleifen oder Spiralen aus, es gibt Verzweigungen und Symmetrien. Diese 3D-Architektur ist für die Funktion des Proteins ganz entscheidend.
Wie funktioniert die Proteinkristallographie?
Das Bild zeigt sogenannte BphA4 Proteinkristalle. BphA4 ist eine Untereinheit eines bakteriellen Proteins.
© Tajana Barthel (HZB MX)
An BESSY II werden an drei Beamlines die 3D-Strukturen von Proteinen mittels Röntgenbeugung entschlüsselt. Diese Strahlrohre werden auch MX-Beamlines genannt. Die Abkürzung MX: M für „Macromolecular“ und X für „X-ray structure analysis“.
Zunächst kristallisieren die Proteine aus der Lösung – ein anspruchsvoller Prozess, bei dem ein spezieller Probenhalter der HZB MX-Gruppe die Handhabung der winzigen und empfindlichen Kristalle erleichtert. Anschließend werden die Proben in flüssigem Stickstoff gekühlt und automatisiert in den Röntgenstrahl gebracht, sodass ein Beugungsmuster entsteht. Mithilfe ausgefeilter Algorithmen wird dieses Muster analysiert, um die Proteine samt Elektronendichte, die wichtige Hinweise auf Bindungs- und chemische Eigenschaften liefert, dreidimensional zu rekonstruieren.
BESSY II und das MX-Team
HZB MX-Team im Mai 2024
Die Joint Research Group Macromolecular Crystallography, kurz MX-Team genannt, ist über die Jahre gewachsen. Im Frühjahr 2021 besteht das Team aus 14 Personen.
Zwei MX-Beamlines laufen komplett via Remote Zugang. Dafür schicken die Nutzer ihre Proben ein, das Team bereitet sie zur Messung vor und gibt den Nutzern Zugang zu den Rechnern, die die Beamlines betreiben und das Experiment kontrollieren. Die Nutzer sitzen also in ihrem eigenen Labor vor dem Rechner, und können die Beamline bei BESSY II betreiben und ihre Experimente durchführen.
Portrait über Manfred Weiss (Leitung MX-Team)
Proteinkristallographie und der Coronavirus
Welches Protein des SARS-CoV-2-Virus wurde an BESSY II untersucht?
Schematische Darstellung der Coronavirus-Protease. Das Enzym kommt als Dimer bestehend aus zwei identischen Molekülen vor. Ein Teil des Dimers ist in Farbe dargestellt (grün und violett), der andere in grau. Das kleine Molekül in gelb bindet an das aktive Zentrum der Protease und könnte als Blaupause für einen Hemmstoff dienen. © HZB
An BESSY II wurde die Haupt-Protease des SARS-CoV-2 untersucht. Dies ist ein Enzym (Protein), das für die Vermehrung des Virus unverzichtbar ist. Der Chemiker Prof. Dr. Rolf Hilgenfeld hat diese Untersuchungen an BESSY II durchgeführt, um geeignete Angriffspunkte für einen Wirkstoff zu identifizieren.
Warum ist Proteinkristallographie für die Wirkstoffsuche so wichtig?
Der Wirkstoff muss an einen Bereich im Protein „andocken“. Wie ein Schlüssel ins Schloss muss er passen, um die Funktion des Proteins zu behindern. An BESSY II werden viele Proteine untersucht um Wirkstoffe zu entwickeln. An den MX-Beamlines steht dafür ein Hochdurchsatzverfahren zur Verfügung, mit dem sich systematisch hunderte von Wirkstoff-Fragmenten in Proteinkristallen testen lassen. Aus solchen Bausteinen für Wirkstoffe können dann deutlich schneller wirksame Therapeutika entwickelt werden.
Film: Ein Team der Universität Lübeck hat mit Röntgenlicht von BESSY II die Hauptprotease des Coronavirus entschlüsselt
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