Wenn man die kleinsten Teile eines Proteins abbilden will, hat man nur wenige Möglichkeiten: Man kann Millionen einzelner Proteinmoleküle dazu bringen, sich in Kristallen auszurichten, und sie mit Hilfe der Röntgenkristallographie analysieren. Oder man kann Kopien des Proteins einfrieren und sie mit Elektronen beschießen, eine Methode mit geringerer Auflösung, die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) genannt wird. Jetzt haben Wissenschaftler zum ersten Mal die Auflösung der Kryo-EM bis auf die atomare Ebene erhöht, so dass sie die Positionen einzelner Atome in einer Vielzahl von Proteinen mit einer Auflösung bestimmen können, die der der Röntgenkristallographie in nichts nachsteht.

„Das ist einfach erstaunlich“, sagt Melanie Ohi, Kryo-EM-Expertin an der Universität von Michigan, Ann Arbor. „Diese Detailgenauigkeit zu sehen, ist einfach wunderschön.“ Da die erhöhte Auflösung genau zeigt, wie komplexe zelluläre Maschinen ihre Arbeit verrichten, dürften Verbesserungen in der Kryo-EM zahllose neue Einblicke in die Biologie ermöglichen.

Um Proteinstrukturen abzubilden, verwenden Wissenschaftler seit den späten 1950er Jahren die Röntgenkristallographie. Indem sie kristallisierte Proteine mit Röntgenstrahlen beschießen und analysieren, wie die Röntgenstrahlen abprallen, können Wissenschaftler den wahrscheinlichen Aufbau und die Form eines Proteins bestimmen. Dank jahrzehntelanger Verbesserungen der Röntgenstrahlen, der Detektoren und der Computerleistung ist dieses Verfahren heute schnell und genau. Aber der Ansatz funktioniert nicht gut, wenn Proteine außergewöhnlich groß sind, in Komplexen wie dem Ribosom arbeiten oder nicht kristallisiert werden können, wie es bei vielen Proteinen der Fall ist, die in Zellmembranen sitzen.

Im Gegensatz dazu beschießen Forscher, die Kryo-EM verwenden, Kopien gefrorener Proteine, die nicht kristallisiert sein müssen, mit Elektronen; Detektoren zeichnen die Ablenkungen der Elektronen auf, und eine hochentwickelte Software fügt die Bilder zusammen, um den Aufbau und die Form der Proteine zu bestimmen. Forscher in Japan hatten zuvor gezeigt, dass sie die Auflösung bei einem Darmprotein namens Apoferritin, das Eisen bindet und speichert, auf 1,54 Angström verringern konnten – und damit nicht ganz den Punkt erreichten, an dem sie einzelne Atome unterscheiden konnten. Mit Hilfe von Verbesserungen in der Elektronenstrahltechnologie, den Detektoren und der Software haben zwei Forschergruppen aus dem Vereinigten Königreich und Deutschland die Auflösung auf 1,25 Angström oder mehr verringert, was scharf genug ist, um die Position einzelner Atome zu bestimmen, berichten sie heute in Nature.

Die verbesserte Auflösung könnte den Wechsel zur Kryo-EM beschleunigen, der unter Strukturbiologen bereits im Gange ist. Bislang funktioniert die Technik nur bei Proteinen, die ungewöhnlich starr sind. Als Nächstes werden sich die Forscher bemühen, eine ähnlich scharfe Auflösung bei weniger starren, großen Proteinkomplexen zu erreichen, wie dem Spleißosom, einem großen Komplex aus Proteinen und RNA-Molekülen, der „Introns“ aus der RNA herausschneidet, die in Proteine umgewandelt werden sollen.