Heinz-Bethge-Nachwuchspreis für Kryoelektronenmikroskopie an bioenergetischen Membranen verliehen
Für das Verständnis essentieller biologischer Vorgänge auf Molekülebene wie der Photosynthese oder der Zellatmung sind hochaufgelöste Bilder notwendig. In seiner Promotion beschreibt Dr. Bertram Daum vom Max-Planck-Institut für Biophysik aus Frankfurt (Main) ein Verfahren, um elektronenmikroskopische Bilder von Makromolekülen in Zellmembranen zu ermöglichen. Dafür wird er mit dem Nachwuchspreis der Bethge-Stiftung für angewandte Elektronenmikroskopie 2014 ausgezeichnet. Seine Dissertation trägt den Titel »Kryoelektronentomographie an bioenergetischen Membranen«. In dieser widmet sich der Biologe Daum intensiv der Frage, was sich mit Hilfe des Elektronenmikroskops (EM) über die Struktur von Makromolekülen und damit über bioenergetische Prozesse herausfinden lässt.
Kryo-Elektronentomographie (Querschnitt und 3D-Ansicht) von Mitochondrien aus jungen (A) und alten (B) Zellen des Altersmodellorganismus Podospora. Während des Alterns zerfällt der Innenraum.
© Bertram Daum, Max-Planck-Institut für Biophysik
Im Vergleich zur Lichtmikroskopie kann die Elektronenmikroskopie durch die geringere Wellenlänge von schnellen Elektronen eine höhere Auflösung erreichen und somit weitaus tiefere Einblicke in den Mikrokosmos ermöglichen. Bei der Kryoelektronen-tomographie können intakte Zellstrukturen auf molekularer Ebene und in 3D untersucht werden. Dazu werden sie vorher in flüssigem Ethan schockgefroren, um einerseits dem Vakuum im EM standzuhalten als auch eine lebensnahe Momentaufnahme zu ermöglichen. Die große Herausforderung besteht allerdings beim Einsatz von biologischen Proben. Durch den geringen Streuquerschnitt von diesen ist der Kontrast gering und da die intensive Strahlenbelastung den biologischen Proben massiv zusetzt, lässt er sich auch durch eine stärkere Beleuchtung nicht so einfach erhöhen. Diese Hürden konnte Daum mithilfe einer sogenannten Subtomogramm-Mittelung umgehen, die in einer Probe wiederholt vorkommende Partikel im Computer mittelt und somit die maximal möglichen Informationen aus den Bilddaten zieht.
In der Folge analysierte Daum die in den Membranen von Mitochondrien vorkommenden ATP-Synthase, ein Proteinkomplex, der in den meisten Organismen die chemische Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) produziert. ATP ist der universelle Energieträger in Zellen und ein wichtiger Regulator bei energieliefernden Prozessen. Anhand des Vergleichs der Daten von Pilzen, Säugern und Pflanzen konnte Daum neue Erkenntnisse über die molekularen Prozesse der zellulären Energieumwandlung und des Alterns gewinnen. So beispielsweise, dass sowohl die ATP-Synthasen als auch die Mitochondrien während des Alterns von Zellen fragmentieren, was darauf hinweist, dass alternde Zellen weniger ATP zur Verfügung haben und schließlich sterben.
»Die Arbeit von Herrn Daum zeigt auf eindrucksvolle Weise, wie mit viel Fleiß und Forscherdrang Grundlagenforschung an etablierten Technologien wie der Elektronenmikroskopie neue Anwendungsfelder erschlossen werden können«, sagt Professor Dieter Katzer, Vorsitzender der Jury und ehemaliger Leiter des Fraunhofer-Institutes für Werkstoffmechanik IWM Halle. Die Auszeichnung ist mit einem Preisgeld von 500 € verbunden. Die Verleihung des Bethge-Nachwuchs-Preises erfolgt nach europaweiter Ausschreibung jährlich zur Jahresversammlung der Bethge-Stiftung. Die Arbeiten werden in vier Kriterien bewertet: experimentelle bzw. methodische Komplexität, Originalität, Anwendungsorientiertheit und wissenschaftliche Qualität.
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