Experimente
"Außenposten" im All
Internationale Raumstation ISS
theme

Kristallisation biologischer Makromoleküle - Verbesserte Strukturaufklärung von Proteinen und Nukleinsäuren (abgeschlossen)

Autoplay
Info an
Info aus
Informationen
Schließen
Vollbild
Normal
zurück
vor
{{index}}/{{count}}
Tipp:
<Escape>, um fullscreen zu beenden.
  • In der Schwerelosigkeit gewachsene Porteinkristalle

    In der Schwerelosigkeit gewachsene Porteinkristalle

    Aufgrund des Fehlens von Ablagerungen (Sedimentation) und des gravitationsbedingten Flüssigkeitstransports (Konvektion) führen Kristallisationsexperimente in Schwerelosigkeit oft zu regelmäßigeren Strukturen im Kristall.

  • Advanced Protein Crystallization Facility (APCF)

    Advanced Protein Crystallization Facility (APCF)

    Die meisten Kristallisationsexperimente fanden in der Advanced Protein Crystallization Facility (APCF) im Express Rack der ISS statt.

  • Kollage von ISS%2dKristallen und Struktur der Nucleinsäuren

    Kollage von ISS-Kristallen und Struktur der Nucleinsäuren

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Ziel der verschiedenen Experimente auf der ISS war es, die Schwerelosigkeit zur Verbesserung der Kristallisation von organischen Makromolekülen zu nutzen. Bei der sich anschließenden Röntgenstrukturanalyse erhoffen sich die Wissenschaftler Fortschritte in der Aufklärung bestimmter Wirkungsmechanismen und Wechselwirkungen von Molekülen. Die verbesserte Kenntnis der Struktur sollte genutzt werden, um beispielsweise im Medikamentendesign neue Wege zu beschreiten.

Experimentbeschreibung:

Verschiedene Herstellungsmethoden wurden getestet. Die meisten Kristallisationsexperimente fanden in der von Airbus Defence & Space (formals EADS Astrium) in Friedrichshafen im Auftrag der ESA entwickelten und gebauten Advanced Protein Crystallization Facility (APCF) statt, einige weitere in der von einer spanischen Arbeitsgruppe entwickelten sogenannten Granada Crystallization Facility (GCF).

Status:

Die Experimente wurden im Zeitraum Mai 2001 bis Oktober 2009 - meistens über die ESA, teilweise auch in Kooperation mit amerikanischen, russischen oder japanischen Partnern - auf der ISS durchgeführt. Alle Proben wurden zur Auswertung in die Labors der Wissenschaftler transportiert und dort mittels Röntgenstrukturanalyse analysiert.

Ergebnisse sowie Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Tatsächlich konnte man die Strukturaufklärung verschiedener Moleküle verbessern. Drei Beispiele sollen dies näher veranschaulichen:

S-Layer von Archaebakterien

In einigen Fällen, wie bei bestimmten Oberflächenproteinen von Urbakterien (Archaebakterien), gelang in Schwerelosigkeit zum ersten Mal überhaupt eine Kristallisation. Diese sogenannten S-Layer Proteine waren wahrscheinlich die ersten Zellwandstrukturen, die sich im Laufe der Evolution vor rund drei Milliarden Jahren bildeten. Aufgrund der S-Layer sind diese Urbakterien gegenüber hohen Temperaturen, extremen pH-Werten und hohen Salzkonzentrationen enorm widerstandsfähig. Nur so konnten sie sich den extremen Bedingungen, die auf der frühen Erde herrschten, anpassen. Bereits während des Space Shuttle-Fluges STS-95 im Oktober 1998 gelang es den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Tony Debaerdemaeker (Universität Ulm) und Prof. Dr. Helmut König (Universität Mainz) zusammen mit belgischen Kollegen zum ersten Mal, Kristalle des S-Layer-Glycoproteins - isoliert aus dem Archaebakterium Methanothermus ferviduszu züchten. Nach der Rückkehr zur Erde wurden diese Kristalle zur Röntgenstrukturanalyse genutzt und lieferten eine hohe Auflösung, bei der viele Einzelheiten der Struktur eindeutig erkennbar waren. Bei folgenden Versuchsserien auf der ISS zwischen Juni und Oktober 2002 konnten aus einem anderen Organismus, dem Bacillus sphaericus, sogar S-Layer Proteinkristalle gezüchtet werden, die eine noch bessere Strukturanalyse erlaubten. Die Wissenschaftler sind damit in der Strukturaufklärung der S-Layer ein gutes Stück vorangekommen. Hieraus erhoffen sie sich, die Überlebensstrategien dieser Organismen sowie der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen besser zu verstehen, um so den Weg in die Anwendung zu ebnen. Tatsächlich wurden die Erkenntnisse zur Struktur der S-Layer bereits bei der Entwicklung von Ultrafiltrationsmembranen und anderen technischen Elementen der molekularen Nanotechnologie angewendet.

Mistellektin-1:

Schon seit Jahrhunderten wird die Mistel (Viscum album) als Heilpflanze eingesetzt. Heute weiß man, dass die Hauptkomponente in den Mistelextrakten, die zur Stärkung des Immunsystems und zur Krebstherapie verwendet werden, das sogenannte Mistellektin-1 ist. Seine Wirkungsweise ist jedoch noch weitgehend unklar. Hier sollte die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur weiterhelfen. Bei Experimenten auf der ISS in den Jahren 2001, 2002 und 2006 gelang es Prof. Dr. Christian Betzel (Universität Hamburg), Kristalle zu züchten, die eine verbesserte Strukturanalyse ermöglichten. Erstmals konnten die chemischen Abläufe im aktiven Zentrum dieses Proteins erklärt werden. Das Ribosomblockierende Mistellektin-1 (ML-1) besteht aus den beiden verschiedenen Eiweißketten A und B. Die Wissenschaftler gehen heute davon aus, dass die Untereinheit B bestimmte Zuckermoleküle in der Membran der anzugreifenden Zelle erkennt und der Untereinheit A das Eindringen in die Zelle ermöglicht. Diese hemmt dann die Ribosomen der Zelle und führt dadurch zum Zelltod beispielsweise von Krebszellen. Die ISS-Experimente wiesen zudem eindeutig darauf hin, dass sich bestimmte Zuckerketten aus Galactose und Lactose an den hochmolekularen Proteinkomplex binden. Sie lieferten damit gleichzeitig die Erklärung, weshalb sich unter normalen Laborbedingungen nur mäßig gute Kristalle züchten lassen, die eine genaue Struktur-Funktions-Analyse einschränken. Mit den Weltraumexperimenten und den begleitenden Untersuchungen wurden nun die Grundlagen gelegt, um die pharmazeutischen Anwendungen dieses Proteins zu verbessern.

Ribonukleinsäuren (RNAs):

Ribonukleinsäuren – kurz RNA – sind das Bindeglied zwischen der genetischen Information der DNA und den danach gebildeten Proteinen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Volker Erdmann (FU Berlin) befasst sich seit vielen Jahren mit der Kristallisation und Strukturaufklärung von RNA und deren Proteinkomplexen. Ausgangspunkt seiner Studien bildet die ribosomale RNA, ein wichtiger Bestandteil dieser Makromoleküle, an denen die Proteinsynthese stattfindet. Die Kristalle vom Space Shuttle-Flug STS-95 sowie aus den viermonatigen Experimenten auf der ISS im Jahr 2001 erlaubten eine detaillierte Strukturanalyse der 5S rRNA Domäne B. Erstmals wurde gezeigt, wie Lichtwellen vom 5s RNA/L18-Proteinkomplex abgelenkt wurden und es wurde ein Bild dieser Beugung erstellt.

In weiteren Versuchen auf der ISS in den Jahren 2002 sowie 2008 und 2009 wurden in Zusammenarbeit mit der Pharmafirma NOXXON AG zum ersten Mal spiegelbildliche RNA-Moleküle kristallisiert. Der Vorteil spiegelbildlicher Nukleinsäuren gegenüber "natürlichen" RNA-Molekülen liegt in ihrer großen Beständigkeit im menschlichen Blut. Dadurch erscheinen sie besonders geeignet, Tumoren oder Virus-Erkrankungen wie AIDS wirksam zu bekämpfen. Darüber hinaus lassen sie sich aufgrund ihrer hohen Stabilität auch chemisch in großer Menge und hoher Reinheit synthetisieren. Um die Funktion dieser Moleküle zu verstehen, müssen deren Strukturen bekannt sein. Die ISS-Experimente lieferten gut geordnete Kristalle, die eine detaillierte Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Nukleinsäuren und Wasser erlaubten. Die exakte Anordnung der Wassermoleküle innerhalb der RNA-Helix und in deren Umgebung ist für den Erhalt der räumlichen RNA-Struktur wichtig. Das aus diesen Experimenten gewonnene Modell der 5S rRNA hilft uns dabei, das Zusammenspiel von Antibiotika mit ribosomalen RNAs besser zu verstehen und unterstützt so die Entwicklung effektiverer Wirkstoffe. Letztendlich erwarten die Wissenschaftler anhand dieser Experimente und der RNA-Strukturanalyse, mehr über die Funktion der Ribosomen zu erfahren, um die molekulare Medizin zu revolutionieren. Damit schließt sich gewissermaßen der Kreis, hat doch Prof. Dr. Volker Erdmann vor mehr als 20 Jahren gemeinsam mit Prof. Dr. Ada Yonath und Prof. Dr. Heinz-Günter Wittmann die Grundlagen für die Erforschung der Ribosomen-Struktur gelegt.

ISS-Zeitraum Mai 2001 bis Oktober 2009
Unterbringung russischer Teil der ISS und EXPRESS-Rack1 im Destiny-Modul
Experimentator Prof. Dr. Baumstark; Prof. Dr. Christian Betzel; Prof. Dr. Tony Debaerdemaeker; Prof. Dr. Volker Erdmann; Prof. Dr. Helmut König; Prof. Dr. Wagner; Prof. Dr. Sevil Weinkauf
Einrichtung Universitäten Freiburg; Hamburg; Ulm; FU Berlin; Mainz; Gießen; TU München
Bereich Biotechnologie, Proteinkristallisation
Partner ESA; JAXA; Roskosmos

 

Zuletzt geändert am:
02.07.2014 12:59:19 Uhr