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Gold-Nanopartikel für hochaufgelöste Biomoleküle |
 Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Kartik Ayyer am MPSD hat 3D-Bilder von Gold-Nanopartikeln in ultrapräzisem Detail generiert. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt in der Suche nach hochauflösenden Abbildungsmethoden für Makromoleküle. Die Studie wurde am Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography-Instrument (SPB/SFX) des European XFEL durchgeführt und sind nun in der Zeitschrift Optica erschienen.
Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und
Nukleinsäuren bevölkern unsere Zellen und sind dort an lebenswichtigen
Abläufen beteiligt. Um die genauen Funktionen dieser Makromoleküle zu
verstehen, muss ihre Struktur bis ins kleinste Detail erforscht werden.
Das Forschungsteam am European XFEL und dem MPSD verwendete
Gold-Nanopartikel als Ersatz für Biomoleküle, da sie weitaus mehr
Röntgenstrahlen streuen. Anhand dieser Goldpartikel maß das Team 10
Millionen Beugungsmuster und erzeugte daraus 3D-Bilder mit bislang
unerreichter Auflösung. Goldpartikel liefern eine große Menge an Daten,
die für die Feinabstimmung von Methoden zur Erforschung von Biomolekülen
eingesetzt werden können.
"Zu den Bildgebungstechniken für
Biomoleküle zählt die Röntgenkristallographie, aber die Kristallisation
von Biomolekülen ist kein einfacher Prozess. Dazu gibt es noch die
Kryo-Elektronenmikroskopie, die mit gefrorenen Molekülen arbeitet", sagt
Ayyer. Nun eröffnen moderne Freie-Elektronen-Röntgenlaser neue Wege zur
Einzelpartikel-Bildgebung (SPI), einer Technik, die das Potenzial hat,
hochauflösende Bilder von Biomolekülen bei Raumtemperatur und ohne
Kristallisation zu liefern. So können Biomoleküle näher an ihrem nativen
Zustand untersucht werden, um bessere Einblicke in ihre Struktur und
Funktion in unserem Körper zu erlangen.
Auch im SPI-Bereich
verblieben jedoch zwei Hürden: Das Sammeln von genügend qualitativ
hochwertigen Beugungsmustern und die richtige Klassifizierung der
strukturellen Variabilität der Biomoleküle. Die Arbeit des Teams zeigt
nun, dass diese beiden Barrieren überwunden werden können, sagt Kartik
Ayyer: "Bisherige SPI-Experimente lieferten selbst im besten Fall nur
etwa zehntausend Beugungsmuster. Um für die Strukturbiologie relevante
Auflösungen zu erhalten, benötigen die Forscher jedoch 10- bis 100-mal
mehr Beugungsmuster", so Ayyer. „Aufgrund der einzigartigen Fähigkeiten
der European XFEL-Anlage, nämlich der hohen Anzahl von
Röntgenlaserpulsen pro Sekunde und der hohen Pulsenergie konnte das Team
in einem einzigen fünftägigen Experiment 10 Millionen Beugungsmuster
sammeln. Diese Datenmenge ist beispiellos und wir glauben, dass unser
Experiment eine Vorlage für die Zukunft dieses Forschungsfeldes
darstellt.".
Für das Problem der strukturellen Variabilität von
Biomolekülen entwickelte das Team einen speziellen Algorithmus. Die
Beugungsmuster werden von einem zweidimensionalen Detektor gesammelt -
ähnlich wie eine schnelle Röntgenkamera. Ein Algorithmus sortiert
daraufhin die Daten und ermöglicht es den Forschern, das Bild des
Biomoleküls zu rekonstruieren. "Wir nutzten die Fähigkeiten des Adaptive
Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), der es uns ermöglichte, Muster
mit dieser hohen Rate zu erfassen. Anschließend sammelten und
analysierten wir die Daten mit maßgeschneiderten Algorithmen, um Bilder
mit bislang unerreichter Auflösung zu erhalten", sagt Ayyer.
"Diese
Studie profitierte von den einzigartigen Eigenschaften unserer Anlage,
des Fast-Framing-Detektors und der effektiven Probenzufuhr", sagt Adrian
Mancuso, leitender Wissenschaftler der SPB/SFX-Gruppe. "Sie zeigt, dass
der European XFEL in Zukunft gut aufgestellt ist, um die Grenzen des
'Sehens' für nicht kristallisierte Biomoleküle bei Raumtemperatur zu
erkunden.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.mpsd.mpg.de/493254/2021-01-ayyer-gold?c=2724
Quelle: Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (01/2021)
Publikation:
https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-1-15&id=445607 |
