Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Life Sciences> Bioanalytik>

Röntgenkamera beobachtet Gen-Schalter in Aktion

Biochemische Reaktionen in Echtzeit verfolgenRöntgenkamera beobachtet Gen-Schalter in Aktion

Mit einem leistungsstarken Röntgenlaser hat ein internationales Forscherteam erstmals einen Gen-Schalter in Aktion beobachtet. Die Untersuchung unter Leitung von Dr. Yun-Xing Wang vom US-Krebsforschungsinstitut (National Cancer Institute) zeigt die ultraschnelle Dynamik eines sogenannten Riboswitches, der einzelne Gene an- und ausschalten kann.

sep
sep
sep
sep
Der Riboswitch-'Knopf' vor, während und nach (von links) dem Andocken des Signalmoleküls (grün). (Bild: Yun-Xing Wang und Jason Stagno, National Cancer Institute)

Die angewendete Methode eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung zahlreicher grundlegender biochemischer Reaktionen, wie das Forscherteam im britischen Fachblatt „Nature“ berichtet.

„Die Untersuchung belegt, dass sich die Strukturveränderungen, die bei biochemischen Reaktionen oder bei Wechselwirkungen zwischen Molekülen ablaufen, mit Hilfe leistungsfähiger Röntgenlaser in Echtzeit aufzeichnen lassen”, erläutert Ko-Autor und DESY-Forscher Prof. Henry Chapman vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Die Wissenschaftler haben einen Riboswitch des Bakteriums Vibrio vulnificus untersucht. Dieses ist ein enger Verwandter des Cholera-Erregers und kann schwer zu behandelnde Infektionen auslösen, die häufig tödlich verlaufen. Der Riboswitch wird von einem Signalmolekül aktiviert, einem sogenannten Liganden – in diesem Fall ist das die Nukleinbase Adenin. Durch die Aktivierung ändert der Riboswitch seine Form. Das Gen, an dem er sich befindet, kann daraufhin nicht mehr abgelesen werden, ist also deaktiviert. Riboswitche gibt es vor allem bei Bakterien und Pilzen, nicht aber bei Säugetieren einschließlich dem Menschen. Diese Gen-Schalter könnten daher aussichtsreiche Angriffspunkte im Kampf gegen Infektionskrankheiten sein.

Anzeige

Um zu beobachten, wie der Schalter aktiviert wird, kristallisierten die Forscher seinen „Einschaltknopf“, also den Part, an den das Signalmolekül Adenin bindet. Dieser Knopf ist wissenschaftlich gesprochen ein Aptamer. Das bedeutet, dass seine molekulare Struktur aus einer Sequenz von Nukleinsäuren besteht und nicht wie Proteine aus Aminosäuren. Die winzigen Aptamer-Kristalle schossen die Forscher in den extrem hellen Strahl des Röntgenlasers LCLS am US-Forschungszentrum SLAC in Kalifornien. Kristalle streuen Röntgenstrahlung auf charakteristische Weise, und aus dem Röntgenstreumuster lässt sich die Struktur des Kristalls und damit die seiner Bestandteile atomgenau berechnen. Daraus ergibt sich in diesem Fall die genaue räumliche Struktur des Aptamers.

In einer neuen, von Chapmans Gruppe entwickelten Apparatur lassen sich die Aptamer-Kristalle mit einer Lösung der Adenin-Signalmoleküle mischen. Das Adenin verteilt sich dabei in den kleinen Kristallen und drückt so gewissermaßen die Knöpfe der Riboswitche im Kristall. Die Adenin-getränkten Nanokristalle wurden in den Strahl des Röntgenlasers injiziert und mit diesem analysiert. Eine Verzögerungsleitung ermöglichte es dabei, die biochemische Reaktion zu einer kurzen Zeit nach ihrem Beginn festzuhalten.

Auf diese Weise entdeckten die Wissenschaftler einen Zwischenzustand des Gen-Schalters, der zuvor noch nie beobachtet worden war und im lebenden Organismus vermutlich nur für Millisekunden existiert. „Bisherige Experimente am SLAC-Röntgenlaser haben bereits biologische Reaktionen untersucht, die von Licht ausgelöst werden, wie etwa die Photosynthese. Dieses ist das erste, das in Echtzeit und auf der atomaren Skala eine Reaktion beobachtet hat, die von der chemischen Wechselwirkung zweier Biomoleküle ausgelöst wird“, erläutert Wang. „Dies illustriert die einzigartigen Möglichkeiten von Freie-Elektronen-Röntgenlasern, die so keine andere existierende oder absehbare Technologie bieten kann. Sie sind wie eine Kamera mit sehr kurzer Belichtungszeit, so dass sich jede Bewegung eines Biomoleküls in der Aktion einfangen lässt.“

Die Untersuchung zeigt, dass das Konzept der „Mix-and-Inject“-Kristallographie funktioniert, wie Chapman betont, der auch Professor an der Universität Hamburg und Mitglied im Hamburger Exzellenzcluster Center for Ultrafast Imaging (CUI) ist.

Mit der Konformationsänderung der Aptamere änderte sich die Struktur und Symmetrie des gesamten Kristalls. Das geht nur bei sehr kleinen Kristallen, da größere durch die inneren Spannungen zerbrechen würden, die solche Formänderungen mit sich bringen. Außerdem kann sich nur in sehr kleinen Kristallen das Signalmolekül ausreichend schnell und gleichmäßig verteilen, so dass eine Untersuchung möglich wird. Derartige Nanokristalle erfordern extrem intensive Röntgenblitze zur Analyse, wie sie von Freie-Elektronen-Lasern wie LCLS oder dem European XFEL erzeugt werden, der zurzeit in der Metropolregion Hamburg in Betrieb genommen wird und dessen Hauptgesellschafter DESY ist.

„So gut wie alle Proteine, RNA und DNA interagieren mit Liganden oder Substraten und durchlaufen bestimmte Konformationsänderungen bei der Reaktion. Die Möglichkeit, diese Änderungen zu beobachten, ist eine Voraussetzung, um zu verstehen wie Biomakromoleküle ihre Funktion ausführen“, sagt Wang. „Bisher hat man diese Art von Reaktionen indirekt untersucht, bis auf sehr begrenzte Fälle, in denen die Konformationsänderungen sehr klein waren und den Kristall nicht zerbrochen haben. Mit unserer Methode können wir nun die Strukturen und Änderungen in einer viel breiteren Auswahl von biochemischen Wechselwirkungen und Reaktionen in Echtzeit beobachten.“

An der Studie beteiligt waren das US-Krebsforschungszentrum sowie weitere US-Gesundheitsinstitute, SLAC, DESY, die Arizona State University, die Johns-Hopkins-Universität, das Hauptmann-Woodward-Institut für medizinische Forschung, das US-Strukturbiologiezentrum und das US-Forschungszentrum Argonne National Laboratory.

Originalveröffentlichung:

Structures of riboswitch RNA reaction states by mix-and-inject XFEL serial crystallography; J.R. Stagno, Y. Liu, Y.R. Bhandari, C.E. Conrad, S. Panja, M. Swain, L. Fan, G. Nelson, C. Li, D.R. Wendel, T.A. White, J.D. Coe, M.O. Wiedorn, J. Knoska, D. Oberthuer, R.A. Tuckey, P. Yu, M. Dyba, S.G. Tarasov, U. Weierstall, T.D. Grant, C.D. Schwieters, J. Zhang, A.R. Ferré-D’Amaré, P. Fromme, D.E. Draper, M. Liang, M.S. Hunter, S. Boutet, K. Tan, X. Zuo, X. Ji, A. Barty, N.A. Zatsepin, H. N. Chapman, J.C.H. Spence, S. A. Woodson and Y.-X. Wang. „Nature”, 2016; DOI: 10.1038/nature20599.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Henry Chapman
DESY/CFEL
E-Mail: henry.chapman@desy.de

Dr. Yun-Xing Wang
Center for Cancer Research, National Cancer Institute
E-Mail: wangyunx@mail.nih.gov

Anzeige
Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zum Thema

Der Injektor injiziert winzige Proteinkristalle in den Röntgenpulsstrahl. Er benötigt pro Experiment nur wenige Milligramm der kostbaren Kristalle. Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Freie-Elektronen-RöntgenlaserProteine in Aktion erwischen

Proteine sind unverzichtbare Bausteine des Lebens. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei zahlreichen biologischen Prozessen. Forschende konnten nun zeigen, wie man mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern wie dem SwissFEL am Paul Scherrer Institut PSI die ultraschnellen Abläufe, mit denen Proteine ihre Arbeit machen, erforschen kann.

…mehr
Biosensor

Wie reagieren lichtempfindliche Biomoleküle?Dynamik eines photoaktiven Proteins

Mit einer speziellen Hochgeschwindigkeits-Röntgenkamera hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Desy die ultraschnelle Reaktion eines Proteins auf Licht beobachtet.

…mehr
Biomoleküle

Paradigmenwechsel in der KristallographieNeue Methode zeigt Biomoleküle kristallklar

Ein Durchbruch in der Kristallographie ermöglicht Forschern den Zugang zu den Bauplänen von tausenden medizinisch und biologisch bedeutenden Biomolekülen.

…mehr
Stubenfliege

Evolutionsbiologie„Schwangere“ Stubenfliegenmännchen

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden der Universität Zürich hat das Gen entdeckt, das bei Stubenfliegen das männliche Geschlecht bestimmt.

…mehr
Für Spinfilter-Format: Bisulfit-Konvertierung

Für Spinfilter-FormatBisulfit-Konvertierung

Für Spinfilter-Format


Die Stratec Molecular Bisulfite Conversion Kits ermöglichen eine schnelle und vollständige Bisulfit-Behandlung und Konvertierung von nicht-methyliertem Cytosin zu Uracil in cfDNA-Proben und aufgereinigter genomischer DNA aus Blut- und Gewebeproben sowie aus FFPE-Gewebeschnitten.

…mehr
Anzeige

Bildergalerien bei LABO online

Anzeige

Jetzt den LABO Newsletter abonnieren

LABO Newsletter abonnieren

Der kostenlose LABO Newsletter informiert Sie wöchentlich über neue Produkte, Lösungen, Technologietrends und Innovationen aus der Branche sowie Unternehmensnachrichten und Personalmeldungen.

Anzeige
Anzeige

Mediaberatung