Magnetischer Blick in die Welt der Proteine

Quelle: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 06.03.2013, Nr. 55, S. N2
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Bislang erkennen Kernspintomographen nur Objekte auf Mikrometerebene. Diamantsensoren steigern die Auflösung und eröffnen ganz neue Perspektiven.


Von Manfred Lindinger


Die Magnetresonanz-Tomographie (MRT) erlaubt Medizinern einzigartige Blicke ins Körperinnere. Kleinste Details von Knochen und Organen können sichtbar und Schäden so rasch festgestellt werden. Das Verfahren versagt jedoch für Strukturen, die kleiner sind als wenige Mikrometer. Zum Leidwesen von Materialforschern und Biologen. Denn läge die Auflösung im Nanometerbereich, wären damit auch dreidimensionale Ansichten von Molekülen möglich. Biologen wären dadurch in der Lage, die für biologische Vorgänge wichtige Faltung von Proteinen oder das Zusammenspiel von Eiweißmolekülen und entsprechenden Rezeptoren in vivo zu beobachten. Auch Chemikern böte sich die Möglichkeit, katalytische Prozesse in Echtzeit zu verfolgen und dadurch Schwachstellen von Reaktionsbeschleunigern rasch aufzuspüren. Dank der Arbeit von zwei Forschergruppen ist die Vision einer Magnetresonanztechnik mit molekularer Auflösung nun in greifbare Nähe gerückt.


Bei der Magnetresonanz oder Kernspinresonanz (NMR) - Letztere wird vor allem von Chemikern verwendet - nutzt man die Wechselwirkung eines homogenen Magnetfeldes mit den Spins von Wasserstoffkernen. Die Protonen, die sich aufgrund ihres "Dralls" wie kleine Stabmagneten verhalten, kreiseln um die Achse des Magnetfeldes, wodurch die Probe magnetisch wird. Zusätzlich eingestrahlte Radiowellen stören die Ausrichtung der Kernspins und lassen diese umklappen. Dabei entstehen magnetische Echos, die von einer Spule empfangen werden. Anhand dieser Signale lassen sich Bilder von der Probe konstruieren. Allerdings muss normalerweise eine riesige Zahl identischer Wasserstoffkerne vorliegen, damit man, möglichst für lange Zeit, ein ausreichend starkes Signal erhält. Für den Nachweis der Protonen in einem Biomolekül ist die herkömmliche Technik nicht empfindlich genug. Die magnetischen Resonanzsignale gehen im magnetischen Hintergrundrauschen unter. Man benötigt deshalb hochsensible Sensoren, die im Idealfall nicht größer sind als das zu untersuchende Probenvolumen.


Einen raffinierten Weg, die Empfindlichkeit der Magnetresonanztechnik in die Höhe zu treiben, haben Wissenschaftler vom IBM-Forschungszentrum Almaden in San Jose vor einigen Jahren gefunden. Daniel Rugar und seine Kollegen fixierten eine winzige magnetische Spitze - die Sonde - am Ende des schmalen Federbalkens eines Kraftmikroskops. Dieses Instrument nutzt man üblicherweise dazu, die atomare Beschaffenheit einer Oberfläche zu analysieren. Dank des Umbaus waren Rugar und seine Kollegen in der Lage, einzelne polarisierte Kernspins im Inneren einer magnetisierten Probe aufzuspüren. Die magnetische Spitze erfuhr durch die polarisierten Protonen eine Kraft, die sie in kleine messbare Schwingungen versetzte.


Auf diese Weise konnten die IBM-Forscher eine Aufnahme eines einzelnen dreihundert Nanometer langen und zwanzig Nanometer breiten Tabakmosaik-Virus anfertigen. Wenn das Abbild des Virus auch nur einem länglichen konturlosen Schatten glich, so war die erzielte Auflösung bereits kleiner als zehn Nanometer, was die Auflösung eines herkömmlichen MRT um das Hundertmillionenfache übertrifft, wie die Forscher in den "Proceedings" der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften berichten (doi: 10.1073/pnas.0812068106).


Trotz des Erfolges hat diese Technik einen entscheidenden Nachteil: Sie funktioniert nur unter Vakuumbedingungen und wenn man die zu untersuchende Probe auf mindestens minus 270 Grad kühlt. Sie ist für die Analyse magnetischer Flüssigkeiten oder lebender Zellen also höchst ungeeignet. Es musste deshalb nach einem empfindlichen Magnetfeldsensor gesucht werden, der auch bei Raumtemperatur arbeitet. Eine solches Magnetometer haben nun Daniel Rugar und seine Kollegen und Forscher um Jörg Wrachtrup von der Universität Stuttgart entwickelt.


Beide Gruppen nutzen als Sensoren dünne Diamantplättchen, in deren Kohlenstoff-Kristallgitter sogenannte Farbzentren eingebaut wurden. Damit bezeichnet man Stickstoffatome, in deren unmittelbarer Nachbarschaft das Kristallgitter eine Lücke - also eine Fehlstelle - aufweist. Paare von Stickstofffehlstellen haben ungewöhnliche Eigenschaften und besitzen sogar ähnlich wie Atome einen Spin (siehe Kasten). Dadurch reagieren die Farbzentren empfindlich auf ein schwaches Magnetfeld in ihrer Nähe, verursacht beispielsweise von benachbarten Kernspins ("Nature", doi: 10.1038/nature.7278). Da bei jedem magnetischen Reiz die Stickstofffehlstelle ein rotes Fluoreszenzphoton aussendet, hat man zudem ein verwertbares Messsignal an der Hand.


Die beiden Forschergruppen testeten die Leistungsfähigkeit ihrer Farbzentren-Magnetometer an einem Öltröpfchen und an einem Stück Kunststoff, die sie jeweils auf ihre Diamantplättchen plazierten. Da beide Substanzen aus langkettigen Kohlenwasserstoffen bestehen, war sichergestellt, dass in jeder Probe reichlich Wasserstoffkerne und damit auch genügend Kernspins vorhanden waren, um ein messbares Magnetfeld zu erzeugen.


Für den Nachweis der Protonenspins verwendeten beide Gruppen unterschiedliche Verfahren. So legten die Stuttgarter Forscher ein schwaches homogenes Magnetfeld an, um die Wasserstoffkerne in ihrer Ölprobe zu magnetisieren. Zahlreiche Kernspins begannen um die Feldachse zu rotieren, wobei ein oszillierendes Magnetfeld entstand. Dieses wurde von dem Farbzentrum im angrenzenden Diamantplättchen erfasst, das daraufhin rote Photonen aussandte. Damit die schwachen magnetischen Signale aus der Probe nicht im Hintergrundrauschen untergingen, strahlten die Forscher eine ausgeklügelte Sequenz von Mikrowellenpulsen ein. Die Arbeitsgruppe um Rugar regte die Wasserstoffkerne in ihrer Probe zusätzlich mit einem Hochfrequenzfeld an und wies das dabei entstandene magnetisches Echo nach.


Auf diese Weise konnten sowohl die Stuttgarter als auch die IBM-Forscher ein NMR-Signal aus einem magnetisierten Probenvolumen aufzeichnen, das einem Würfel mit der Kantenlänge von fünf Nanometern entsprach und schätzungsweise von nur zehntausend polarisierten Wasserstoffkernen hervorgerufen wurde ("Science", Bd. 339, S. 557 und S. 561). Damit hat man erstmals eine Auflösung erreicht, die es theoretisch ermöglicht, ein Protein abzubilden. Allerdings bedürfe es dazu noch einiger Entwicklungsarbeit, wie die Forscher selbst einräumen.


"Wir haben gezeigt, dass sich NMR-Signale aus nanometergroßen Proben detektieren lassen", sagt Friedemann Reinhard aus Wrachtrups Arbeitsgruppe. "Nun müssen wir daran arbeiten, aus diesen Signalen die Information über die Struktur einer Probe herauszuholen." Da Diamantplättchen und Probe noch starr übereinanderliegen, entsprechen die Messwerte aus der Probe bislang nur einem Bildpunkt. Um ein dreidimensionales Abbild der Probe erhalten zu können, müsste diese Punkt für Punkt in alle Raumrichtungen abgescannt werden. Die Forscher planen deshalb, das Diamantplättchen mit dem Farbzentrum am freien Ende eines Federbalkens eines Kraftmikroskops zu befestigen - ähnlich wie Rugar in seinen früheren Versuchen eine magnetische Spitze daran fixierte. So könnte man bald ein Protein bei seiner Arbeit aus allen Raumrichtungen betrachten.

 

Vor etwa sechzehn Jahren machten Jörg Wrachtrup und seine Mitarbeiter an der Universität Chemnitz eine ungewöhnliche Beobachtung.  Bestimmte Defekte in Diamantkristallen fluoreszieren, wenn man sie mit grünem Laserlicht anregt.  Das rote Leuchten ist so stark, dass man es mit einem Lichtmikroskop sehen kann.  Der Defekt, auf den die Forscher gestoßen waren, besteht aus einer Fehlstelle  im Kristallgitter und einem benachbarten Stickstoffatom auf dem Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms.  Da diese als Farbzentren bezeichnete Stickstofffehlstellen nach jedem grünen Laserpuls immer  nur ein einzelnes rotes Lichtquant aussendet, werden sie bereits als Quelle für einzelne Photonen genutzt.  Farbzentren haben zudem die Eigenschaft, dass sie wie Atome einen Zustand niedrigster  Energie - einen Grundzustand - und mehrere angeregte Zustände besitzen.  Dadurch kann man sie als Speicher für Quantenbits, die elementaren Informationseinheiten der Quantenphysik, nutzen. Eine Stickstofffehlstelle weist zudem einen Eigendrehimpuls auf, einen Spin, der sich durch ein Magnetfeld manipulieren lässt - aber auch empfindlich auf Störungen durch oszillierende magnetische Felder in der Nähe reagiert.(mli)