Neue Bildtechnik enthüllt die Geheimnisse der Viren
Proteine sind die Arbeitspferde biologischer Systeme. Sie verrichten ihre Arbeit mit aussergewöhnlicher Präzision und Geschwindigkeit. Jahrelang war es eine grosse Herausforderung, Proteine in Aktion zu beobachten, da die Bildgebungsmethoden oft nicht schnell genug waren, um ihre eleganten, aber schnellen Tänze zu erfassen.
Nun hat ein Team von Forschenden unter der Leitung von Professor Ulrich Lorenz an der EPFL eine neuartige Bildgebungstechnik eingesetzt, die die zeitliche Auflösung der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) auf Mikrosekunden herunterschraubt, um die schnelle Dynamik eines Virus in Echtzeit zu beobachten. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Die Forschenden entwickelten die Bildgebungstechnik erstmals 2021 auf der Grundlage der Kryo-EM, einer Technik, die Bilder von Biomolekülen wie Proteinen mit atomarer Präzision aufnehmen kann. Bei der KryoEM werden die Proben in glasartiges Eis eingebettet, eine glasartige Form von Eis, die entsteht, wenn Wasser so schnell gefroren wird, dass es nicht kristallisieren kann. Nach dem Einfrieren der Probe können mit einem Elektronenmikroskop, einem Instrument, das Bilder mit Hilfe eines Elektronenstrahls anstelle von Licht erzeugt, hochauflösende Bilder der Molekularstruktur aufgenommen werden.
Die innovative KryoEM-Methode brachte ihren Erfindern, Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson, 2017 den Nobelpreis für Chemie ein. Im Jahr 2021 erweiterten Lorenz und sein Labor die Möglichkeiten der KryoEM, um Bilder von Proteinbewegungen im Mikrosekundenbereich (ein Millionstel einer Sekunde) aufzunehmen, indem sie die verglaste Probe mit einem Laserpuls schnell schmelzen. Wenn das Eis zu einer Flüssigkeit schmilzt, öffnet sich ein «einstellbares» Zeitfenster, in dem die Proteine dazu gebracht werden können, sich so zu bewegen, wie sie es in ihrem natürlichen flüssigen Zustand in der Zelle tun.
Mit dem gleichen Ansatz haben die Forschenden nun ihre Technik eingesetzt, um schnelle virale Bewegungen mit beispielloser Präzision zu erfassen. Das Team konzentrierte sich auf das Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV), ein Pflanzenvirus, das für seine grossflächigen Bewegungen bekannt ist, die für seinen Infektionszyklus entscheidend sind. Es ist bekannt, dass eine Änderung des pH-Werts eine rasche Ausdehnung des Viruskapsids (einer Schutzhülle) bewirkt, und mit der neuen Technik konnte das Team die tatsächliche Mechanik dieses Prozesses beobachten.
«Es handelt sich um eine Ausdehnung des Kapsids, die auftritt, wenn das Virus eine Zelle infiziert», sagt Ulrich Lorenz, «wir haben diesen Prozess in umgekehrter Richtung untersucht, d. h. die Kontraktion des Kapsids, was es uns ermöglichte, die Mechanik des Kapsids auf einfachere Weise aufzuklären.»
Das neue bildgebende Verfahren wirkte Wunder: «Wir erhielten ein sehr detailliertes Bild von der Funktionsweise und der Mechanik dieser nanoskaligen Maschine, einschliesslich der überraschenden Erkenntnis, dass die verschiedenen Bewegungen der Kapsidproteine mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen», sagt Lorenz. «Wir erfuhren auch, dass die Kontraktion, obwohl es sich um eine Bewegung mit grosser Amplitude handelt, sehr schnell abläuft, wobei das Virus in seinem ausgedehnten Zustand einer gespannten Feder ähnelt, die plötzlich losgelassen wird und sich zusammenzieht.»
Neben dem Virus stellt die neue zeitaufgelöste Kryo-EM-Technik im Mikrosekundenbereich eine weitere Herausforderung dar, nämlich die Beobachtung der Funktionsweise von Proteinen: «Wir zeigen zum ersten Mal, dass mit unserer Methode ein Prozess beobachtet werden kann, der tatsächlich in der Natur vorkommt», sagt Lorenz. «Es gibt keine andere Methode, mit der diese Art von Beobachtung möglich wäre. Wenn es gelingt, unsere Experimente auf eine breite Palette von Systemen auszuweiten, wovon wir fest ausgehen, hat unsere Methode das Potenzial, unser Verständnis der Funktionsweise von Proteinen zu revolutionieren.»
