Durchbruch bei der Ausrichtung einzelner Makromoleküle mit Lasern für die Bildgebung

17. April 2025

Foto: DESY-CFEL–CMI, Muhamed Amin

Mit einem optischen Laser können komplexe Biomoleküle für die Einzelmolekülbildgebung ausgerichtet werden.

An Röntgenlasern können Forschende mit dem sogenannten Single-Particle-Imaging (SPI) die Struktur von Nanopartikeln und Biomolekülen rekonstruieren. Allerdings benötigt die Technik oft bis zu mehrere Milliarden Nanopartikel, um ein Bild zu erzeugen, was die Klarheit und Schärfe des Bildes begrenzt.

Forschende des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY, darunter CUI-Wissenschaftler Prof. Jochen Küpper, haben nun gemeinsam mit internationalen Kollegen gezeigt, dass eine laserinduzierte Ausrichtung solcher Moleküle möglich ist, um die molekulare Bildgebung deutlich zu verbessern. Diese geometrische Ausrichtung der Moleküle im Röntgenbildgebungsexperiment wird die Reproduzierbarkeit der molekularen Orientierung und damit die Strukturauflösung erheblich erleichtern und damit ein wesentliches Manko bei SPI überwinden. Die neue Entwicklung ebnet den Weg für die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen und anderen Makromolekülen mit Hilfe von SPI.

 Bei der laserinduzierten Ausrichtung wird die Polarisierbarkeit des Moleküls ausgenutzt, mit dem das elektrische Feld eines Laserpulses wechselwirkt. Der Laserpuls induziert kurzzeitig ein elektrisches Dipolmoment im Molekül, das dann dem elektrischen Feld des Laserpulses folgt. Dadurch werden die Moleküle gezwungen, sich in eine Richtung zu drehen, in der die Polarisierbarkeit maximal wirkt. D. h., die am stärksten polarisierbare Achse des Moleküls entlang der Laserpolarisation ausgerichtet, was zu einer geometrischen Ausrichtung der Moleküle führt und sie somit im Raum fixiert. 

In der aktuellen Arbeit haben die Forschenden rechnerisch nachgewiesen, dass sich Nanopartikel und Proteine mit heutigen Standardlasertechnologien wirksam ausrichten lassen. Anhand einer Analyse von 150 000 Proteinen aus der internationalen Proteindatenbank (PDB) zeigten sie, dass die meisten Proteine unter realistischen Versuchsbedingungen ausgerichtet werden können. Dadurch wird ihre Sichtbarkeit in Einzelteilchen-Beugungsexperimenten verbessert, wie das Team in seiner Veröffentlichung im Journal of the American Chemical Society schreibt.

Auswirkungen auf die Strukturbiologie und die Nanotechnologie

Die Ergebnisse beheben ein seit langem bestehendes Problem bei der SPI: Hier werden die Moleküle in der Regel in zufälligen Orientierungen abgebildet, was die 3D-Rekonstruktion erschwert. Die Forschenden sagen auch voraus, dass die Abkühlung der Moleküle auf kryogene Temperaturen - eine Technik, an der die Gruppe aktiv arbeitet - den Grad der Ausrichtung weiter verbessert und auch potenzielle Strahlenschäden reduziert, wodurch die Technik weiter verfeinert wird.

Der jetzt erzielte Durchbruch verspricht erhebliche Auswirkungen auf die Strukturbiologie und die Nanotechnologie, da er es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglicht, molekulare Strukturen mit noch nie dagewesener Detailgenauigkeit zu visualisieren. Das könnte die Entdeckung von Arzneimitteln, die biomolekulare Forschung und die Materialwissenschaft möglicherweise revolutionieren. Zukünftige Experimente werden sich auf die Integration dieser Lasertechniken mit der XFEL-Bildgebung konzentrieren, um eine Auflösung im Sub-Nanometerbereich zu erreichen, was die Forschenden einer Echtzeit-Visualisierung der Dynamik in Molekülen näher bringt. Text: DESY, ed.

Originalveröffentlichung

 Muhamed Amin, Jean-Michel Hartmann, Amit K. Samanta, and Jochen Küpper

Laser-Induced Alignment of Nanoparticles and Macromolecules for Coherent-Diffractive-Imaging Applications

Journal of the American Chemical Society 2025 147 (9)

DOI: 10.1021/jacs.4c15679