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Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Anwendung von Synchrotronstrahlung in der Biologie

Röntgenstrahlen gehören zu den aufschlussreichsten Werkzeugen in der modernen Biologie. Die Struktur und Form von für das Leben so wichtigen Molekülen wie Proteinen oder DNS bleiben selbst unter den besten Lichtmikroskopen unsichtbar. Deshalb benutzen Strukturbiologen Synchrotronstrahlung, um dreidimensionale Bilder von biologischen Molekülen zu erhalten.

Die Kenntnis der exakten räumlichen Struktur dieser Moleküle ist eine Grundvoraussetzung für das Verständnis ihrer Wirksamkeit im gesunden und kranken Organismus. Wegen ihrer hohen Brillanz, ihrer geringen Divergenz und der freien Durchstimmbarkeit der Wellenlänge ist die Synchrotronstrahlung zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Kristallstrukturanalyse von Eiweißmolekülen und Nukleinsäuren geworden. Unter Verwendung von Röntgenstrahlung aus Elektronenspeicherringen konnten in jüngster Zeit die dreidimensionalen Strukturen hochkomplexer makromolekularer Gebilde bestimmt werden. Kristallstrukturen des Ribosoms, der eukaryotischen RNA-Polymerase II, des Nukleosomen-Kernpartikels, des Proteasoms und verschiedener Virenpartikel haben wichtige Einblicke in große biologische Funktionseinheiten auf atomarer Ebene erlaubt.

Synchrotronstrahlung erlaubt daneben die sehr schnelle Bestimmung von Proteinstrukturen und ermöglicht damit ihre Verwendung als Ausgangspunkt für die gezielte Arzneimittelentwicklung. Ganz neuartige, heute noch weitgehend unverstandene Experimente zur strukturellen Charakterisierung großer Biomoleküle und der von ihnen abgeleiteten supramolekularen Partikel werden an Synchrotronstrahlungsquellen wie dem geplanten FEL möglich sein. Denn die Blitze im FEL sind so intensiv, dass einzelne Moleküle abgelichtet werden können und keine Kristalle für die sonst üblichen Gruppenaufnahmen gezüchtet werden müssen.

Nicht nur Molekularbiologen profitiern von der "hellen" Synchrotronstrahlung. Auch größere Strukturen lassen sich damit sichtbar machen. Objekte kann man röntgenmikroskopisch mit zurzeit etwa zehnmal höherer Auflösung als im Lichtmikroskop untersuchen, und zwar ohne aufwändige und evtl. strukturverändernde Präparationen, wie sie in der Elektronenmikroskopie in Form von Einbetten, Schneiden etc. notwendig sind.

Quellen: innovations report: Neue internationale Einrichtung zur Erforschung der Moleküle des Lebens mit Synchrotronstrahlung / KFS-Broschüre "Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland" (2001): Lebenswissenschaften

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