1986 wurde für die Realisierung des Elektronenmikroskops der Nobelpreis für Physik an Ernst Ruska vergeben. Dieses neue Instrument war aber nicht für die Untersuchung von Proben in wässriger Lösung geeignet, insbesondere von biologischen Proben. Dies liegt einerseits daran, dass Wasser im Hochvakuum des Instruments sofort verdampft und andererseits zerstört der Elektronenstrahl die Proben. Die Kryo-Elektronenmikroskopie ist eine Weiterentwicklung der klassischen Elektronenmikroskopie, bei der biologische Proben auf Temperaturen unter minus 150 Grad Celsius abgekühlt werden, um dies zu vermeiden. „Beim Abkühlen muss aber sichergestellt sein, dass sich keine Eiskristalle bilden, die etwa Zellwände zerdrücken oder zerstechen würden.“, erklärt Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie.
Unüberwindliches Problem?
In der Begründung zur Vergabe des Nobelpreises für Chemie 2017 für die Entwicklung der Methode der Kryo-Elektronenmikroskopie hebt das Nobelkomitee heraus, dass es hier ein fundamentales Problem gab. Sowohl theoretische Rechnungen als auch experimentelle Erfahrung mit rasch abgekühlten wässrigen Proben haben gezeigt, dass „unzugänglich hohe Kühlraten“ notwendig sind, um die Eiskristallbildung zu verhindern. Dies versuchte man behelfsmäßig zu lösen, indem den wässrigen Lösungen Gefrierschutzmittel zugemischt wurden, etwa Zucker wie Sucrose oder Alkohole wie Glycol oder Glycerin – mit großen Verlusten bei der maximal erreichbaren Auflösung im Mikroskopiebild und der Beeinflussung der Proben durch die Zusätze.
Lösung aus Innsbruck
Genau dieses Problem wurde vom 2011 verstorbenen Chemiker Prof. Erwin Mayer am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck in den 1980ern gelöst. „Die Grundlagen für dieses Verfahren hat Erwin Mayer hier in Innsbruck in mehr als 25 Jahren Arbeit am Thema mit vielen Mitarbeitern und Studierenden entwickelt und perfektioniert. Dabei musste er Kühlraten von 10 Millionen Grad pro Sekunde erreichen – und das war lange für unmöglich gehalten worden“, sagt Lörting. Er entwickelte dafür eine völlig neuartige Methode, die heute als „Hyperquenchen“ bekannt ist. Dabei werden die wässrigen Lösungen fein zerstäubt und die wenige Mikrometer großen Tröpfchen in eine Vakuumapparatur eingebracht. Dort entwickelt sich eine gerichtete Überschallströmung, die auf eine tiefgekühlte Platte geleitet wird. Beim Impakt der Tröpfchen auf diese Platte wird der Probe praktisch augenblicklich die Wärme entzogen. Die Wassermoleküle haben keine Zeit, Kristalle zu bilden– im Fachjargon wird das „Vitrifizieren“ genannt. Sie immobilisieren, ohne ihre Struktur oder die Struktur der im Wasser gelösten biologische Probe zu verändern – genau das, was in der Kryo-Elektronenmikroskopie gebraucht wird. Dazu schützt diese Schicht an glasigem, vitrifiziertem Wasser die biologischen Proben vor Zerstörung durch den Elektronenstrahl.
Anerkennung für Leistungen
Aus diesem Grund wird die Bildung von Proben umhüllt von glasigem Wasser heute als „heiliger Gral“ in der Kryofixation gesehen. Von solchen schockgefrorenen Proben werden dann 100 nm dicke Schnitte erzeugt und im Elektronenstrahl untersucht. Prof. Mayer und sein Team arbeiteten dabei auch direkt mit dem nunmehrigen Nobelpreisträger Jacques Dubochet von der Universität Lausanne zusammen – in Innsbruck hergestellte Proben wurden von Jacques Dubochet im Kryo-Elektronenmikroskop untersucht. Im Buch „Cryotechniques in Biological Electron Microscopy“ (Springer Verlag, 1987) beschreibt Erwin Mayer im einleitenden Kapitel den Hintergrund zur Vitrifizierung von unterkühltem Wasser, und Jacques Dubochet in einem Folgekapitel die Anwendung der Technik in der Kryo-Elektronenmikroskopie. Innsbrucker Arbeiten werden deshalb auch in den Erläuterungen der Schwedischen Akademie der Wissenschaften zu ihrer Entscheidung zitiert. Durch das neue Verfahren ist es heute möglich, die „Moleküle des Lebens in ihrer dreidimensionalen Struktur zu erfassen“, wie die Schwedische Akademie schreibt. „Wissenschaftler können heute Biomoleküle mitten in einer Bewegung einfrieren und sie in atomarer Auflösung portraitieren. Diese Technologie hat die Biochemie in eine neue Ära befördert.“ Thomas Lörting ergänzt: „Würde Erwin Mayer heute noch leben, wäre die Akademie bei diesem Thema nur schwer an der Vergabe des Nobelpreises an ihn vorbeigekommen.“
Links
- The Nobel Prize in Chemistry 2017
- Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften (Advanced Materials)
- Cryotechniques in Biological Electron Microscopy (Springer Verlag, 1987)
- Complete vitrification in pure liquid water and dilute aqueous solutions. P. Brüggeller, E. Mayer; Nature 288 (1980) 569–571