Die Welt auf molekularer Ebene zu hinterfragen ist schwierig. Der Versuch, sich auf bewegte Moleküle zu konzentrieren, ist jedoch noch entmutigender. Der diesjährige Nobelpreis für Chemie würdigt die Arbeit von drei Wissenschaftlern, die eine Technik entwickelt haben, um die winzigen Bausteine des Lebens blitzschnell einzufrieren und aus nächster Nähe zu untersuchen.
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In der Chemie hängt die Struktur häufig stark von der Funktion eines Moleküls ab. Wenn Forscher daher die Strukturen in allen Lebensbereichen - von Viren über Pflanzen bis hin zum Menschen - genau untersuchen, können sie möglicherweise auf bessere Therapien und Heilmittel für Krankheiten hinarbeiten.
"Ein Bild ist ein Schlüssel zum Verständnis", heißt es in der Pressemitteilung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, in der die Auszeichnung angekündigt wird.
Elektronenmikroskope, in denen Elektronenstrahlen verwendet werden, um kleinste Details von Objekten abzubilden, ermöglichen es Wissenschaftlern seit den 1930er Jahren, einen Blick auf die kleinsten Teile unserer Welt zu werfen. Aber diese Technologie ist nicht ideal, wenn es darum geht, die Strukturen lebender Organismen zu untersuchen, berichtet Laurel Hamers von Science News .
Damit das Elektronenmikroskop richtig funktioniert, muss sich die Probe in einem Vakuum befinden, das lebendes Gewebe austrocknet und einige der Strukturen, die Wissenschaftler untersuchen möchten, verzerren kann. Die Probe wird auch mit schädlicher Strahlung bombardiert. Andere Techniken, wie die Röntgenkristallographie, können das Leben nicht in seinem natürlichen Zustand abbilden, da die interessierenden Moleküle starr kristallisiert bleiben müssen.
Für den schottischen Molekularbiologen Richard Henderson waren diese Einschränkungen einfach nicht umsetzbar, um die Moleküle zu untersuchen, aus denen lebende Zellen bestehen. Ab den 1970er Jahren entwickelte er eine Technik mit einem Elektronenmikroskop, um ein Protein bis auf atomare Ebene abzubilden, berichtet Erik Stokstad von Science . Das Mikroskop wurde auf niedrige Leistung eingestellt, wodurch ein unscharfes Bild erzeugt wurde, das später unter Verwendung der sich wiederholenden Muster des Moleküls als Richtlinie in ein höher auflösendes Bild umgewandelt werden konnte.
Aber was wäre, wenn sich die Proben nicht wiederholen würden? Hier kam der deutsche Biophysiker Joachim Frank ins Spiel. Er entwickelte eine Verarbeitungstechnik, um scharfe dreidimensionale Bilder von sich nicht wiederholenden Molekülen zu erstellen. Er nahm die Bilder mit geringer Leistung aus vielen verschiedenen Winkeln auf und verwendete dann einen Computer, um ähnliche Objekte zu gruppieren und sie zu schärfen, um ein 3D-Modell des lebenden Moleküls zu erstellen, berichtet Kenneth Chang von der New York Times .
In den frühen 1980er Jahren fand der Schweizer Biophysiker Jacques Dubochet einen Weg, feuchte Proben unter dem Vakuum eines Elektronenmikroskops zu verwenden. Er stellte fest, dass er schnell Wasser um die organischen Moleküle gefrieren konnte, wodurch ihre Form und Struktur unter der verzerrenden Wirkung des Vakuums erhalten blieb.
Zusammen haben diese Techniken "im Wesentlichen eine Art neues, bisher unzugängliches Gebiet der Strukturbiologie erschlossen", sagte Henderson in einem Interview mit Adam Smith von Nobel Media über Kryo-Elektronenmikroskopie.
Seit ihren Entdeckungen haben Wissenschaftler daran gearbeitet, die Auflösung dieser Technik kontinuierlich zu verbessern, um noch detailliertere Bilder der kleinsten organischen Moleküle zu ermöglichen, berichtet Ben Guarino von der Washington Post . Die Technik hat breite Anwendung in der Molekularbiologie und sogar in der Medizin gefunden. Beispielsweise konnten die Forscher nach der verheerenden Zika-Virus-Epidemie die Struktur des Virus mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie schnell bestimmen, was bei der Herstellung von Impfstoffen hilfreich sein kann.
"Diese Entdeckung ist wie Google Earth für Moleküle", berichtet Allison Campbell, Präsidentin der American Chemical Society, über Sharon Begley von STAT. Mit dieser Kryo-Elektronenmikroskopie können Forscher nun die kleinsten Details des Lebens auf der Erde untersuchen.
