Wissenschaftler des Weizmann-Instituts erfassen erstmals 3D-Visualisierung von Molekülen, die auseinanderbrechen, wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt werden

Wissenschaftler des Weizmann-Instituts erfassen erstmals 3D-Visualisierung von Molekülen, die auseinanderbrechen, wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt werden
Wissenschaftler des Weizmann-Instituts erfassen erstmals 3D-Visualisierung von Molekülen, die auseinanderbrechen, wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt werden
Anonim

REHOVOT, Israel – 27. Januar 2000 – Vision ist die Kunst, Dinge unsichtbar zu sehen, schrieb der Meister der Fantasie, Jonathan Swift. Seine Reisen in Königreiche mit sich verändernden visuellen Maßstäben dienten dazu, die potenziellen Erkenntnisse hervorzuheben, die sich aus der Betrachtung der Welt durch immer neue Perspektiven ergeben. Forscher des Weizmann-Instituts haben kürzlich die Anwendbarkeit dieses Prinzips auf die Kunst der wissenschaftlichen Entdeckung demonstriert. Eine Entscheidung ihrerseits, einen experimentellen Fokus zu ändern, führte dazu, dass sie den allerersten zeitaufgelösten "Film" einfingen, der zeigt, wie Moleküle auseinanderbrechen, wenn sie Synchotronstrahlung ausgesetzt werden.Ihre Ergebnisse, die in der Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) vom 18. Januar veröffentlicht wurden, könnten den Weg zu verbesserten Techniken zur Untersuchung biologischer Moleküle sowie zu pharmakologischen Maßnahmen zur Vorbeugung von Strahlenschäden, einer häufigen Ursache von Krebs, ebnen Geburtsfehler.

Die an dieser Studie beteiligten Weizmann-Wissenschaftler waren Dr. Gitai Kryger, Dr. Michal Harel und Prof. Joel Sussman vom Fachbereich Strukturbiologie sowie Prof. Israel Silman vom Fachbereich Neurobiologie. Das Team arbeitete eng mit Martin Weik, Maria Raves, Piet Gros und Jan Kroon vom holländischen Bijvoet Center for Biomolecular Research in Utrecht sowie Raimond Ravelli und Sean McSweeney vom European Molecular Biology Laboratory Outstation in Grenoble, Frankreich, zusammen.

Bruch der Fesseln

"In der Wissenschaft ist es durchaus üblich, Antworten auf eine Frage zu suchen und Antworten auf ganz andere zu finden", sagt Dr.Kryger, die den Hintergrund ihrer Entdeckung liefern. "Während wir eine Allee hinunterschauten, wurden wir im Wesentlichen in eine Gasse abgelenkt, mit vielleicht noch breiteren Anwendungen."

Im Zuge der Untersuchung eines der faszinierendsten Enzyme der Natur, der Acetylcholinesterase (AChE), das eine entscheidende Rolle für die Gehirnfunktion und das Gedächtnis spielt, beschloss das Team, seine enzymatische Reaktion in "Echtzeit" mit X zu untersuchen -Strahlenkristallographie, basierend darauf, dass Kristalle des Enzyms Röntgenstrahlen hoher Intensität ausgesetzt werden.

Da die Reaktion dieses Enzyms innerhalb von Mikrosekunden abläuft, hofften die Forscher, den Prozess durch eine extrem schnelle Serie von Röntgen-"Schnappschüssen" aufzeichnen zu können. Die Ergebnisse zeigten tatsächlich eine zeitabhängige Änderung an. Bei näherer Betrachtung stellten die Forscher jedoch fest, dass sie bei ihrem Versuch, die enzymatische Reaktion festzuh alten, tatsächlich die allererste 3D-Aufzeichnung des strahlungsinduzierten Bruchs bestimmter chemischer Bindungen im Protein erh alten hatten.„Die Beobachtung war atemberaubend. Während der Zeitreihenfilm wie eine simulierte Animation chemischer Prozesse aussieht, wussten wir, dass wir eine direkte experimentelle Beobachtung sahen – etwas, das noch nie zuvor gesehen worden war“, sagte Prof. Sussman.

Folgende Studien zeigten, dass Strahlenschäden entgegen der bisherigen Annahme tatsächlich sehr spezifisch sein könnten. Das Team fand heraus, dass Disulfidbindungen (die häufig Protein-Polypeptidketten überbrücken) und Carboxylsäuren (wie sie am aktiven Zentrum zu finden sind, wo enzymatische Reaktionen initiiert werden) besonders anfällig für Strahlenschäden sind. Sie fanden auch eine artübergreifende Ähnlichkeit, was auf ein allgemeineres Phänomen hindeutet. Äußerst ähnliche Ergebnisse wurden bei der Arbeit mit AChE-Kristallen erzielt, die vom Torpedofisch (eine der reichsten Quellen dieses Enzyms), Menschen und der Drosophila-Fruchtfliege sowie von einem völlig anderen Enzym, Hühnereiweiß-Lysozym, stammen.

Weniger kann mehr sein

Diese Ergebnisse haben direkte Auswirkungen auf die Verbesserung der Datenerhebung mittels Röntgenkristallographie. Diese Technologie stellt erhebliche Herausforderungen. Während es einen dramatischen Einblick in bisher unzugängliche mikroskopische Welten bietet, führt es gleichzeitig zu Strahlungsschäden, wodurch die experimentelle Probe oft zerstört wird. Die kristallographische Gemeinschaft hat traditionell einen schmalen experimentellen Grat beschritten und versucht, die Informationssammlung durch erhöhte Röntgenintensität zu verbessern und gleichzeitig Strahlenschäden durch verschiedene Techniken, insbesondere Kryo-Kristallographie (Datenerfassung bei extrem k alten Temperaturen), zu mindern.

Laut Dr. Kryger „ist eine der wichtigsten Lektionen zum Mitnehmen, dass beim Versuch, biologische Moleküle besser zu verstehen, weniger intensive Strahlung genauere Ergebnisse liefern kann. Der Schlüssel liegt darin, eine versehentliche Einführung zu vermeiden Veränderungen in experimentellen Proben, wie sie durch Strahlenschäden verursacht werden."

Ein Diagnosetool

Strahlenschäden und deren Vermeidung sind aber auch über Labormauern hinaus ein zentrales Thema. Organismen sind ständig potenziell schädlicher Strahlung ausgesetzt, sei es durch Sonnenlicht, radioaktive Materialien oder Krankenhausröntgenstrahlen. Diese Strahlung ist eine häufige Ursache für Krebs und Geburtsfehler. Laut Prof. Sussman „bietet die Fähigkeit, die durch Strahlung verursachten spezifischen Schäden auf ‚Reagenzglas‘-Ebene zu visualisieren, ein wichtiges diagnostisches Werkzeug für die Entwicklung pharmakologischer Mittel zum Schutz vor Strahlenschäden. Diese Maßnahmen könnten bei einem konventionellen oder einem Notfall angewendet werden Situationsbedingt, wie nach dem Ausfall des Kernkraftwerks Tschernobyl."

Das Team des Weizmann-Instituts plant, mit seinen europäischen Kollegen zusammenzuarbeiten, um das Anti-Strahlungs-Potenzial verschiedener Substanzen zu untersuchen.

Diese Studie wurde vom U.S. Army Medical and Materiel Command, dem 4. Rahmenprogramm der Europäischen Union für Biotechnologie, dem Kimmelman Center for Biomolecular Structure and Assembly (Rehovot, Israel) und der Dana Foundation finanziert.Die großzügige Unterstützung von Frau Tania Friedman wird dankbar anerkannt. RBGR dankt der EMBL Grenoble Outstation für die Unterstützung durch den TMR Access to Large Scale Facilities.

Prof. Israel Silman, Mitglied der Abteilung Neurobiologie des Weizmann-Instituts, hat den Bernstein-Mason-Lehrstuhl für Neurochemie inne. Prof. Joel Sussman ist Mitglied der Abteilung Strukturbiologie des Weizmann-Instituts und hat eine gemeinsame Berufung am Brookhaven National Laboratory in New York.

Das Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, ist eines der weltweit führenden Zentren für wissenschaftliche Forschung und Graduiertenstudium. Seine 2.500 Wissenschaftler, Studenten, Techniker und Ingenieure betreiben Grundlagenforschung auf der Suche nach Wissen und zur Verbesserung der Menschheit. Neue Wege zur Bekämpfung von Krankheiten und Hunger, zum Schutz der Umwelt und zur Nutzung alternativer Energiequellen haben bei Weizmann hohe Priorität. Gedruckte Farbbilder und ein zeitaufgelöster Film, der den strahlungsinduzierten chemischen Bindungsbruch demonstriert, sind veröffentlicht unter: http://wis-wander.weizmann.ac.il/weizmann/doa_iis.dll/Serve/level/English/1.200.html Film:

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