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Biologische Mikrokristalle und gepulste Synchrotronstrahlung
- Explosion eines Lysozym-Moleküls nach Bestrahlung mit einem 5 Femtosekunden langen Röntgenpuls, der einen Photonenstrom mit ausreichender Intensität liefert. (Grafik: J. Hajdu)
Die Strukturaufklärung mittels Röntgenstreuung bis auf atomare Ebene verlangt neben der äußerst intensiven Röntgenstrahlung auch ganz neue Techniken der Probenaufbereitung. Proteinmoleküle bestehen oft aus tausenden von Atomen; sofern sie sich kristallisieren lassen, ist ihre Struktur meist bekannt. Der weitaus größte Teil widersetzt sich jedoch hartnäckig der wohlgeordneten Anordnung in einem Kristall, der oft aus 1015 (also eine Million mal eine Milliarde) Molekülen aufgebaut ist.
Die Röntgenstreuung an einzelnen, nicht kristallisierbaren Molekülen ist hingegen so schwach, dass mit herkömmlichen Röntgenquellen nur alle paar Monate einmal ein Röntgenquant gestreut wird. Dies macht Einzelmolekül-Messungen natürlich unmöglich. Stattdessen wollen die MAP-Wissenschaftler den viel intensiveren Strahl des neuen Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers nutzen. Die ungeheure Energie, die dabei auf das Molekül einwirkt, verdampft es jedoch in wenigen Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardsten Sekunde). Die Pulslänge des Strahls muss also etwas kürzer sein als die Zeit, bis das Molekül explodiert (unter 50 Femtosekunden). In dieser Zeit ist eine Strukturaufklärung des intakten Moleküls noch möglich.
Um sicher zu stellen, dass die Theorie mit der Praxis übereinstimmt und die Technik funktioniert, benutzen die MAP-Physiker das Protein Myoglobin, dessen Struktur bereits seit vielen Jahren bekannt ist. Sie werden mit diesen Experimenten nichts Neues über Myoglobin selbst erfahren, aber ausgiebig die Technik zur Röntgenstreuung an einzelnen Molekülen entwickeln. Mikrokristalle sind ein wichtiger Zwischenschritt auf dem Weg zur Untersuchung des einzelnen Moleküls. Die Kristalle sind allerdings so winzig, dass sie nicht mehr mit dem bloßen Auge zu erkennen sind und nicht gefunden werden. Die MAP-Physiker greifen deshalb zu einen besonderen Trick: Sie markieren die Kristalle mit leuchtenden Nanoteilchen und können sie so mit geeigneten Mikroskopen identifizieren.