Meilenstein auf dem Weg zur direkten Abbildung einzelner Biomoleküle

Neue Technik ermöglicht räumliche Trennung verschiedener Peptid-Formen

01.11.2018 - Deutschland

Ein Forscherteam von DESY und der Universität Hamburg hat einen weiteren Meilenstein auf dem Weg zur direkten Abbildung einzelner Biomoleküle erreicht: Die Gruppe unter der Leitung von Jochen Küpper vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) hat eine neue Experimentiertechnik entwickelt, die es ermöglicht, verschiedene Strukturen eines Peptids voneinander zu trennen und sie so einzeln zu untersuchen und abzubilden. Über ihre vielfältig einsetzbare Methode berichten die Forscher im Fachblatt „Angewandte Chemie“.

Peptide sind eine Art Kurzausgabe von Proteinen, den Molekülen des Lebens. Sie bestehen aus Ketten weniger Aminosäuren. Proteine gelten als Arbeitspferde im Organismus. Sie steuern die Funktion lebendiger Zellen und sind zum Beispiel für die Reproduktion von Zellen, aber auch für den Sauerstofftransport zuständig. Dieses weite Leistungsfeld verdanken sie ihrer einzigartigen, dreidimensionalen Struktur. Veränderungen in dieser Struktur können gravierende Auswirkungen auf die Funktion eines Proteins haben und sogar zu schwerwiegenden Erkrankungen führen. Die 3D-Struktur eines Proteins wird dabei nicht nur durch die Sequenz der Aminosäuren beeinflusst, aus denen es besteht, sondern auch von intramolekularen Wechselwirkungen, wie zum Beispiel Wasserstoffbrückenbindungen zwischen verschiedenen Teilen des Moleküls.

Ein gängiges Verfahren, um derartige Wechselwirkungen im Detail zu untersuchen, besteht darin, isolierte kleine Peptide in der sogenannten Gasphase zu untersuchen. Allerdings können selbst einzelne Aminosäuren und kleine Peptide unterschiedliche 3D-Strukturen einnehmen, sogenannte Konformere. Dieser Umstand erschwert die detaillierte Analyse dieser wichtigen biomolekularen Bausteine, da Untersuchungsverfahren wie zum Beispiel die Röntgenbeugung Proben identischer 3D-Strukturen benötigen, um atomar aufgelöste Bilder zu erzeugen.

„Unser Ziel war es daher, neue Experimentiertechniken zu entwickeln, die Proben von Peptiden in der Gasphase erzeugen, die alle eine identische 3D-Struktur aufweisen“, sagt Nicole Teschmit, Erstautorin der Studie aus dem Exzellenzcluster CUI (Centre for Ultrafast Imaging) an der Universität Hamburg. Mit der Laserdesorptions-Methode produzierte das Team zunächst rund -271 Grad Celsius kalte molekulare Strahlen intakter Dipeptid-Moleküle, welche sie anschließend mit Laserspektroskopie identifizierten. In diesem kalten Molekularstrahl können sich die verschiedenen Konformere nicht ineinander umwandeln. Um die verschiedenen Strukturen nun voneinander zu trennen, nutzen die Wissenschaftler starke elektrische Felder, welche mit den spezifischen Dipolmomenten der einzelnen Konformere wechselwirken und sie räumlich ablenken. Mit dieser Methode konnten die Forscher die zwei Konformere des Dipeptids Ac-Phe-Cys-NH₂ räumlich gänzlich voneinander trennen und reine Proben der einzelnen Konforme in der Gasphase erzeugen.

“Es ist uns erstmals gelungen, konformerselektierte Peptide in einem kalten Molekularstrahl zu demonstrieren. Diese Proben ermöglichen die Untersuchung von konformerspezifischen Prozessen mit allgemeinen Techniken, die sonst nicht zwischen verschiedenen Strukturen unterscheiden können“, sagt Co-Autor Daniel Horke vom CFEL bei DESY. Die niedrige Temperatur des erzeugten Molekularstrahls ermöglicht es zudem, die Moleküle räumlich zu fixieren. Genau dies ist eine Voraussetzung für die Röntgenanalyse einzelner Biomoleküle mit atomarer Auflösung, wie Küpper betont: „Unsere Methode ist ein Meilenstein auf dem Weg zur direkten strukturellen Abbildung individueller biologischer Moleküle.“