Lasertechnik: High-Speed-Einblicke in biologische Prozesse des Sehens

27. August 2016, 17:00
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Einige der schnellsten Prozesse im Körper laufen in Proteinen ab, die durch Licht angeregt werden. Freie-Elektronen-Röntgenlaser könnten diese Vorgänge entschlüsseln

Viligen – Einen Wimpernschlag können wir gerade noch bemerken. Die biologischen Prozesse, die hinter dem Sehen stecken, können aber bis zu einer Milliarde Mal schneller ablaufen. So sorgen beispielsweise Rhodopsin und ähnliche lichtempfindliche Proteine in den Sinneszellen unserer Netzhaut dafür, dass wir unsere Umgebung in Echtzeit sehen und als eine unmittelbare, zu uns gehörende Erfahrung wahrnehmen.

Diese ultraschnellen Prozesse zu beobachten und dadurch besser zu verstehen, ist eine große Herausforderung für die Wissenschaft. Dazu braucht es eine Art Ultra-Hochgeschwindigkeitskamera für Moleküle: Sogenannte Freie-Elektronen-Röntgenlaser erzeugen extrem kurze und intensive Pulse aus Röntgenlicht. Weltweit sind erst zwei derartige Anlagen in Betrieb.

Mikrobenmodell

Ein internationales Team unter der Leitung der ETH Zürich konnte nun zeigen, wie man dabei vorgehen kann. Als Modellorganismus nutzten sie eine einfache Mikrobe, die Licht in chemische Energie umwandelt. Allerdings bedarf es einiger Tricks, um Proteine wie das Rhodopsin so zu präparieren und vor die Linse zu schieben, dass der Laser seine Reaktion auf Licht auch in allen Einzelschritten erfassen kann.

Eine solch raffinierte Methode stellen die Forscher nun anhand des bakteriellen "kleinen Bruders" von Rhodopsin, dem Bacteriorhodopsin, im Fachjournal "Nature Communications" vor: Das Verfahren beruht darauf, das zu untersuchende Protein zu kristallisieren, den jeweiligen Prozess in präzisen Zeitintervallen mit einem optischen Laser auszulösen und die Proben einzeln "vor die Linse", also in den Röntgenpulsstrahl, zu schieben.

Das war bisher ein recht ineffizientes Unterfangen und es waren große Mengen der schwierig zu erzeugenden Proteinkristalle nötig. Nun sei es aber gelungen, das System viel effizienter zu machen, wie die Wissenschafter in einer Aussendung berichten: Dank eines speziellen Injektors und einer zähen Flüssigkeit, in der die Kristalle eingebettet sind, fließen die Proteinkristalle langsam in den Röntgenpulsstrahl. Das erhöht die Trefferquote drastisch und erfordert dadurch weniger Ausgangsmaterial. (APA, red, 27. 8. 2016)

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