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Verschiedene Proteinkristalle
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Biotechnologie: Kristallzüchtung im Weltraum

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ESA / Space in Member States / Germany

Ohne Proteine wäre Leben nicht möglich. Ihr Aufbau und ihre Wirkungsweise sind jedoch noch wenig erforscht. Dies lässt sich mittels Röntgenstrukturanalyse bewerkstelligen. Ein Vorgang, der qualitativ hochwertige Proteinkristalle voraussetzt. Diese wiederum lassen sich nur in der Schwerelosigkeit erzeugen. Daher befinden sich mehrere Kristallisationseinrichtungen auf der ISS, darunter eine im europäischen Columbus-Modul: die Protein Crystallisation Diagnostics Facility (PCDF).

Proteine sind zentrale Bausteine der lebenden Materie. Die kleinen Wunderwerke bestehen aus Hunderten oder gar Tausenden Aminosäuren und sind in drei Dimensionen kompliziert gefaltet. Dieser Aufbau wiederum bestimmt die einwandfreie Funktion eines Proteins. Um in seine Geheimnisse einzudringen, benötigen die Wissenschaftler sehr kurzwellige Röntgenstrahlen hoher Leistung, die die Molekülstrukturen bis ins Innerste „ausleuchten“ können. Dieses Verfahren ist als Röntgenstrukturanalyse bekannt.

Die Schwerkraft stört

Röntgenstrahlen werden aber nur an kristallinen Strukturen gebeugt. Die zu untersuchenden Proteine müssen also zunächst kristallisiert werden. Das geschieht mittels übersättigter Proteinlösungen durch ausfällen. Ein diffiziler Vorgang, bei dem sich die Schwerkraft durch Konvektion und Sedimentation von Lösungskomponenten bemerkbar macht. Das Kristallgitter wird verzerrt oder es entsteht gar in anderer nicht gewünschter Form. Schon früh sind die Wissenschaftler deshalb auf die Idee gekommen, die Kristallzüchtung im Weltraum vorzunehmen.
Die Erfahrungen mit Kristallen aus dem All sind sehr gut. Zurück auf der Erde, werden sie in Teilchenbeschleunigeranlagen – das sind wahre Monstermaschinen mit mehreren 100 Metern Durchmesser – der Strukturanalyse unterzogen. Es entstehen Beugungsmuster, aus denen Computerprogramme die Proteinstruktur berechnen und darstellen.

Proteinkristalle von Columbus

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Proteinkristalls
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Proteinkristalls

In Columbus steht die „Crystallisation Diagnostics Facility“ für die Kristallisation zur Verfügung. Sie ist im European Drawer Rack untergebracht. Die Ausstattung der Forschungsanlage erlaubt es, das Wachstum der Kristalle in Schwerelosigkeit genauer zu studieren. So wurden in der PCDF bei Experimenten über 30 000 Bilder aufgenommen. Das Forschungsziel: Optimierung der Züchtungsprozesse im All und auf der Erde.

Nobelpreis für Forschung

Wissenschaftler konnten durch Forschungen an Proteinkristallen zahlreiche neue Erkenntnisse gewinnen. So war es möglich, die Funktion der Ribosomen, das sind Komplexe aus Proteinen und Ribonukleinsäuren, bei der „Proteinfabrikation“ aufzuklären. Drei Forscher – Thomas A. Steitz, Ada Yonath und Venkatraman Ramakrishnan – erhielten dafür 2009 den Nobelpreis für Chemie.

Große praktische Bedeutung

Bei Proteinkristall-Experimenten auf der ISS kooperieren viele Grundlagenforscher frühzeitig mit Entwicklungsabteilungen von Unternehmen, denn die Untersuchungen haben große praktische Bedeutung. Proteine sind in allen nachwachsenden Rohstoffen und tierischen Produkten enthalten. Diese wiederum werden in der Landwirtschaft und der Industrie verarbeitet, so zu Futtermitteln oder Gelatine. Sie spielen ebenfalls als Antikörper zur Bekämpfung von Krankheiten eine große Rolle. Die pharmazeutische Industrie wiederum nutzt Proteine, um bessere Medikamente zu entwickeln. So ist es nur allzu verständlich, dass die europäische Kristallisationsanlage im Columbus-Modul auch in Zukunft gut ausgelastet sein dürfte.

Weitere Informationen:

Weitere Informationen Prof. Dr. rer. nat., Dr. Sc. Christian Betzel
Universität Hamburg
Institut für Biochemie und Molekularbiologie
DESY, Geb. 22a
Nottkestr. 85
D – 22603 Hamburg
Fon: +49 (0)40 8998-4744
Christian.Betzel @ uni-hamburg.de

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