Spektrum der Wissenschaft - Oktober 2017

Filmen im Atommaßstab

Eine neue Mikroskopietechnik ermöglicht Einblicke in den Reaktionsablauf der Fotosynthese.

Forscher versetzten einen Proteinkomplex in einen angeregten Zustand und gewannen mit

einem energiereichen Röntgenlaser Momentaufnahmen der Veränderungen – in Bruchteilen

einer Sekunde und noch bevor die Energie des Strahls die Proteine zerstörte.

nicht kurz genug, die Kristalle wären zu klein für irgendein
auswertbares Signal, oder wir fänden niemals die Orientie-
rung des Kristalls zum Zeitpunkt des Auftreffens heraus,
die jedoch eine unverzichtbare Information zur Ermittlung
der dreidimensionalen Struktur des Proteins ist.
Wir waren allerdings davon überzeugt, dass es bei
Biomolekülen gelingen könnte. Eine von uns (Fromme)
versuchte sich mit ihrem Team ausgerechnet an einer der

kompliziertesten Strukturen, dem Photosystem I mit

dutzenden Proteinen und Hunderten von Licht einfangen-

den grünen und orangen Pigmenten.

Petra Fromme kannte das Photosystem I in- und aus-

wendig; sie hatte Jahre mit dem Versuch zugebracht,

es zu kristallisieren und seinen Aufbau mit anderen Me-

thoden aufzuklären. Ferner dachten wir, die Größe des

biomolekularen Komplexes könnte vorteilhaft sein, da wir

Nanokristall-

Injektor

Röntgenlaser

Strahl aus Kristallen

ultrakurze

Röntgenpulse

gestreute

Röntgenstrahlen

Lichtpulse

Glasfaser

Laser mit sichtbarem Licht

Detektor

LUCY READING-IKKANDA / SCIENTIFIC AMERICAN MAI 2017

Aus einem

Proteinkomplex

entstehen im

Labor winzige

Kristalle. Pro

Sekunde strömen

hunderttausende

aus der Düse

eines speziellen

In jektors.

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Laserpulse

simulieren die

Sonnenstrahlung,

wodurch sich

die Atome in den

lichtempfindlichen

Molekülen um-

lagern. Dieser

Reak tionsschritt

erfolgt in Femto-

sekunden,

also in bil liardstel

Sekunden.

Kurz darauf treffen

Röntgen strahlen

auf den Kristall. Ein

Detektor zeichnet

das entstehende

Beugungsmuster auf.

Variierende Zeit-

abstände zwischen

dem Licht- und dem

Röntgenblitz ergeben

Aufnahmen während

der gesamten Reaktion.

Ein Röntgenpuls

dauert nur einige

zehn Femto-

sekunden, ist aber

so energiereich,

dass er den

Protein kris tall im

weiteren Verlauf

der Wechsel-

wirkung zerstört.

Mit einem Computer-

programm errechnen

die Forscher aus den

Beugungsmustern

der gestreuten Strah-

lung Bilder der

Proteinstruktur. Aus

zehntausenden

zweidimensionalen

Momentaufnahmen

entstehen so drei-

dimensionale Filme.

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