Jedes Elektron zählt: Proteinstruktur mit bislang höchster Auflösung enthüllt
Kurz gesagt:
Detailreich wie nie zuvor: Forschende haben die Struktur des Proteins Rubredoxin mit einer Auflösung von 0,43 Ångström bestimmt.
Ansatz bringt Chancen: Ihre Methodik liefert höchst präzise Röntgenbeugungsdaten, die es ermöglichen, die Struktur biologischer Makromoleküle von nun an routinemäßig mit moderner Quantenkristallographie zu untersuchen.
Nutzen weit über Grundlagenforschung hinaus: Tiefe Einblicke in die von Enzymen katalysierten Reaktionen im Körper ebnen den Weg für die Entwicklung neuer Medikamente und für die Herstellung von Designer-Enzymen für Industrie, Chemie und Materialwissenschaften.
Enzyme sind wahre Hochleistungsmaschinen. Vollständig oder zum Großteil aus Proteinen bestehend, beschleunigen sie in Menschen und anderen Organismen eine Vielzahl chemischer Reaktionen – und zwar mit nahezu perfekter Präzision und Effizienz. Während synthetische Verfahren dafür extreme Temperaturen oder Drücke erfordern, arbeiten Enzyme energieeffizient und nachhaltig in wässrigen Lösungen bei Körpertemperatur. Wie schaffen sie das?
Die Geheimnisse leistungsstarker Enzyme entschlüsseln
Um das Patentrezept aufzudecken, müssen Forschende die chemischen Prinzipien verstehen, die den Enzymen zugrunde liegen. Die Proteinstruktur liefert hierzu wichtige Informationen. Sie kann mittels Röntgenkristallographie bestimmt werden. Die Geheimnisse zu lüften, erfordert jedoch extreme Genauigkeit: Die Auflösung muss besser als 1,1 Ångström (Å) sein, um feine Details zu erfassen. Nur dann können Forschende präzise Elektronendichten berechnen und daraus wiederum die Position der Atome und die Arten der Bindung zwischen ihnen exakt bestimmen sowie Prozesse auf der Basis einzelner Elektronen ableiten.
„Genauer gesagt, geben hochaufgelöste Strukturen und deren Elektronendichten Aufschluss über elektronische Eigenschaften und quantenmechanische Phänomene. Diese wiederum liefern Einblicke in den Quantenzustand des aktiven Zentrums eines Enzyms sowie seiner Substrate, Zwischenprodukte und Endprodukte“, sagt Ashwin Chari, Leiter der Forschungsgruppe Strukturelle Biochemie und Mechanismen am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) in Göttingen. Und dieser tiefe Einblick lohnt sich: „Die derart umfassende experimentelle Beobachtung ebnet den Weg dafür, maßgeschneiderte Medikamente gegen Krankheiten und Designer-Enzyme zur Beschleunigung chemischer Reaktionen zu entwickeln“, so der Max-Planck-Forscher.
Doch solch hohe Auflösungen zu erreichen ist herausfordernd: Denn die dafür nötigen intensiven Röntgenstrahlen beschädigen genau jene strukturellen Details, die Forschende zu erkennen versuchen.
Hürden überwunden und Proteinstruktur mit bislang höchster Auflösung bestimmt
Wissenschaftler*innen haben nun einen Weg gefunden, bisherige Hürden zu überwinden, und damit einen bedeutenden Fortschritt in der Röntgenkristallographie erzielt: Sie haben die Struktur eines archäalen Rubredoxin-Proteins mit einer Auflösung von 0,43 Å bestimmt. „Nach unserem Kenntnisstand stellt das die mit der bislang höchsten Auflösung bestimmte Proteinstruktur dar“, so Chari. „Möglich wurde der Rekord durch eine Reihe technischer Innovationen und optimierter Verfahren. Wir haben modernste Röntgenkristallographie und quantenchemische Modelle kombiniert und damit die Lücke zwischen Strukturbiologie und Quantenchemie geschlossen“, fügt er hinzu. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Acta Crystallographica Section D, Structural Biology veröffentlicht.
Geleitet wurde das Team von Ashwin Chari (MPI-NAT) sowie Gleb Bourenkov vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Hamburg, Clemens Schulze-Briese von der DECTRIS AG (Baden, Schweiz), Paulina Maria Dominiak von der Universität Warschau (Polen) und Gérard Bricogne von Global Phasing Ltd. in Cambridge (Großbritannien).
Was die Röntgenstrahlen über das Protein verrieten
Anhand der röntgenkristallographischen Daten mit einer Auflösung von 0,43 Ångström konnten die Forschenden die genauen Positionen der Atomkerne innerhalb des Proteins bestimmen, einschließlich der Positionen aller Wasserstoffatome. Darüber hinaus enthüllten die mit hoher Genauigkeit abgeleiteten Elektronendichten quantenmechanische Phänomene, darunter die Elektronen im Zentrum chemischer Bindungen sowie atomare Partialladungen.
Vielversprechende Perspektiven in verschiedenen Bereichen
„Die Erkenntnisse sind von größter Bedeutung für unser Bestreben, lokale elektrische Felder in Enzymen präzise zu kartieren und ihre Rolle bei enzymkatalysierten Reaktionen zu visualisieren“, sagt Chari. „Wenn wir die jetzigen Ergebnisse und Methodik generalisieren, lassen sie uns voraussehen, dass es mit präzisen Röntgenbeugungsdaten von nun an möglich ist, routinemäßig Quantenkristallographie an biologischen Makromolekülen durchzuführen. Unser langfristiges Ziel ist es, tiefe Einblicke in enzymkatalysierte Reaktionen zu gewinnen, um Fortschritte in der Chemie, den Materialwissenschaften und der Medizin zu beschleunigen.“
Experimente zu Strahlenschäden ebneten Weg zum Rekord
Frühere Experimente von Chari, Bricogne und Bourenkov legten den Grundstein für den Rekord. Darin untersuchten die Forschenden, wie Röntgenstrahlen die Proteinstruktur verändern und Strahlenschäden die Verfeinerung und Interpretation des Atommodells beeinträchtigen. „Um präzise Strukturen von Makromolekülen mit Sub-Ångström-Auflösung mittels Diffraktionsexperimenten zu bestimmen, bedarf es neben großen Proteinkristallen, eines Röntgenstrahls mit flachem Intensitätsprofil (‘Top Hat’-Strahl genannt) sowie einer sehr geringen Strahlendosis“, zieht Bourenkov Fazit.
Bricogne beschreibt das Vorgehen mit dem Ausdruck „resolution in dose“ (zu Deutsch: „Dosisauflösung“). Er betont: „Dies ist der beste Ansatz, um die Effekte von Strahlenschäden auf die Daten zu mindern. Die Ergebnisse wurden im Mai 2026 ebenfalls in Acta Crystallographica Section D, Structural Biology veröffentlicht.
Moderne Messtechnik und -protokolle führten zum Auflösungsrekord
Zur Bestimmung der jetzt gelösten Rubredoxin-Struktur setzte das Team auf eine der weltweit besten und hellsten Röntgenstrahlungsquellen: PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg. Die Daten, die zum Auflösungsrekord führten, erhoben die Forschenden an der vom EMBL betriebenen Strahllinie P14. Unter der Leitung von Bourenkov stellt das Instrument genau den benötigten „Top Hat“- Strahl zur Verfügung. Dessen Größe und Form lassen sich vor jedem Experiment an die Abmessungen des jeweiligen Proteinkristalls anpassen. So lässt sich die Dosis der Strahlung, die auf die Probe einwirkt, präzise steuern – so wie es der „resolution in dose“-Ansatz vorsieht.
Zur Auswertung nutzte das Team Protokolle, die von Global Phasing mittels Software in Echtzeit erstellt und dabei auf jede Probe einzeln zugeschnitten werden. Sie erzielen die höchstmögliche Datenqualität, die eine Probe liefern kann.
„Unsere Beobachtung deutet darauf hin, dass die üblicherweise zur Verfeinerung von Atommodellen verwendeten ,sphärischen‘ Streufaktoren strukturelle Details bei solch hoher Auflösung nicht ausreichend erklären“, sagt Dominiak. Mit sogenannten „asphärischen“ Streufaktoren konnten die Forschenden die quantenmechanischen Phänomene, die sie beobachtet haben, dagegen besser beschreiben.
Die beiden Studien sind das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit von Wissenschaftler*innen der EMBL Strahllinie P14, den Entwicklern kristallographischer Software von Global Phasing Ltd., dem Röntgendetektorhersteller DECTRIS AG, Quantenkristallograph*innen der Universität Warschau sowie Forschenden aus den Bereichen Biochemie, Röntgenkristallographie und Datenauswertung vom Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften. (ck)
Die Forschung wurde von der Volkswagen-Stiftung und dem Nationalen Wissenschaftszentrum (Polen) gefördert.
