Mensch und Technik

Kryoelektronenmikroskopie

„Nur wenn wir etwas über die exakte 3D-Struktur eines Proteins wissen, verstehen wir auch die biokatalytische Wirkung, die Proteine zum Beispiel in Form von Enzymen besitzen”, sagt Petra Wendler, Professorin für Biochemie an der Universität Potsdam. Ihre Methode der Wahl ist dabei die Kryoelektronenmikroskopie. „Mit modernen Geräten erreichen wir heute eine Auflösung von bis zu 1,7 Angström – damit können wir auch in großen Proteinkomplexen jede einzelne Aminosäure und die Ausrichtung ihrer Seitenkette sehen”, so die Wissenschaftlerin. Für die Untersuchung werden Lösungen der Proteine auf einem Kupfergrid mithilfe von flüssigem Stickstoff in Bruchteilen von Sekunden eingefroren.

„Pro Grid haben wir dann Tausende kleine Aufnahmebereiche, in denen die Proteine in den unterschiedlichsten Orientierungen in einer Art glasähnlichem Eismedium fixiert sind.” Auf jede einzelne Probe wird dann ein Elektronenstrahl geleitet. Atome haben die Eigenschaft, diese Elektronen in einer spezifischen Art und Weise zu streuen. Die gestreuten Elektronen werden von einem Elektronendetektor in einem 2D-Bild erfasst, das vergleichbar mit einem Röntgenbild ist. Dadurch, dass viele Ausschnitte analysiert werden, in denen das gleiche Protein in unterschiedlichsten Orientierungen liegt, entstehen Bilder des Proteins aus verschiedensten Blickwinkeln. „In der anschließenden Bildverarbeitung kombiniert ein Algorithmus diese 2D-Bilder, indem er wiederkehrende Muster entdeckt und so eine 3D-Struktur kreiert”, beschreibt Petra Wendler.

Petra Wendler ist Professorin für Biochemie an der Universität Potsdam. Die Kryo-Elektronenmikroskopie nutzt sie, um 3D-Schnappschüsse von Proteinkomplexen in verschiedenen funktionellen Zuständen zu machen. Ihr besonderes Interesse gilt dabei den sogenannten ATPasen, Enzymen, die eine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel spielen. 

Röntgenabsorptionsspektroskopie

Neue Materialien für die nachhaltige Produktion nicht-fossiler Brennstoffe untersucht Holger Dau vorzugsweise an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Adlershof. „Die Röntgenabsorptionsspektroskopie eignet sich besonders gut, um Materialschichten zu untersuchen, die auf Photoelektroden verwendet werden, um die Bildung von Wasserstoff zu katalysieren“, sagt der Professor für Biophysik und künstliche Fotosynthese an der Freien Universität Berlin. Absorptionsspektroskopie beruht grundsätzlich darauf, dass verschiedene Atome spezifische Lichtfrequenzen absorbieren, sodass in dem Spektrum des durch die Probe hindurchgegangenen Lichts in diesem Frequenzbereich weniger Intensität zu sehen ist. In dem Synchrotron werden Elektronen zunächst so stark beschleunigt, dass sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen. Danach werden sie in den 240 Meter großen Speicherring geschickt, wo sie – gelenkt durch Magneten – zirkulieren. Durch die starke Beschleunigung emittieren die Elektronen Röntgenstrahlen, die ähnlich hell und fokussiert sind wie Laserstrahlen. An bestimmten Stellen des Speicherrings können Strahlen einer spezifischen Wellenlänge, also monochromatisch, abgeleitet und auf die jeweilige Probe gerichtet werden. „Wir detektieren die absorbierte Röntgenstrahlung unserer Probe, indem wir die emittierte Röntgenfluoreszenz mit speziellen Detektoren messen. Über die Auswahl der geeigneten Wellenlänge kann man für jede spezifische Probe gezielt Spektren aufzeichnen. Im Vergleich mit Referenzspektren können wir mit einer Auflösung von einem Pikometer – dem millionsten Teil eines Mikrometers – nicht nur erkennen, welche Atome im Material nebeneinander liegen, sondern auch deren Ladungszustand, der besonders wichtig für die katalytische Aktivität ist.“ Der Clou: Katalytische Prozesse lassen sich sogar „in operando“ beobachten – also während der Reaktion. 

Holger Dau ist Professor für Biophysik und künstliche Fotosynthese an der Freien Universität (FU) Berlin. Für seine Forschung zur artifiziellen Fotosynthese nutzt er die Röntgenabsorptionsspektroskopie am Synchrotron etwa für die Strukturaufklärung neuer Katalysatormaterialien für die CO2-neutrale Produktion nicht-fossiler Treibstoffe. 

„Inhouse“ Röntgenabsorptionsspektroskopie

Die Aufklärung der molekularen Strukturen der an katalytischen Prozessen beteiligten Substanzen ist ein wesentlicher Grundpfeiler der Katalyseforschung. Besonders geeignete Analysemethoden wie etwa die Absorptionsspektroskopie am Synchrotron BESSY II sind teuer und ihre Nutzung ist mit langen Wartezeiten verbunden. Zukunftsweisende Analysemethoden für den Laborgebrauch zu entwickeln, ist das Ziel von Birgit Kanngießer, Professorin für Analytische Röntgenphysik an der TU Berlin: „Wir entwickeln eine Variante der Absorptionsspektroskopie, die sich auch im Labor durchführen lässt.“ Absorptionsspektroskopie beruht grundsätzlich darauf, dass Moleküle mit Licht bestrahlt werden und in spezifischer Art und Weise Lichtfrequenzen absorbieren, sodass diese Lichtfrequenzen in den Spektren hinter der Probe fehlen. Der wesentliche Unterschied der von Birgit Kanngießer entwickelten Methode zu den Großgeräten: eine neue Röntgenoptik. So wird eine simple Röntgenröhre als Strahlungsquelle verwendet. Vereinfacht gesagt werden in der Röntgenröhre Elektronen ebenfalls beschleunigt, bis sie Photonen in dem Energiespektrum von Röntgenstrahlung abgeben. Im Unterschied zum Synchrotron handelt es sich dabei aber um deutlich weniger intensive Strahlung. Um trotzdem noch in vertretbarer Zeit genügend Strukturinformationen aus der Probe zu erhalten, wurde die Detektion der Absorptionsspektren mit einer effizienteren Optik kombiniert. Dazu verwendet die Wissenschaftlerin sogenannte Mosaikkristalle zur Detektion, die aufgrund ihrer Mosaikstruktur sehr viel mehr Strahlung pro Zeiteinheit auffangen können. Der Nachteil: Die Energieauflösung der Spektren ist geringer als am Synchrotron und die Messzeiten sind deutlich länger, sodass das Verfahren eingeschränktere Anwendungen bietet als das Synchrotron.

Birgit Kanngießer ist Professorin für Analytische Röntgenphysik an der Technischen Universität Berlin. Mit ihrem Team entwickelt sie innovative Messmethoden auf der Basis von Röntgenstrahlung, die zum Beispiel eine Röntgenabsorptionsspektroskopie für den Laborbedarf ermöglichen.

Transmissionselektronenmikroskopie

Es gibt nicht die eine Analysemethode, die Beatriz Roldán Cuenya, Direktorin der Abteilung Grenzflächenwissenschaft des Fritz-Haber-Instituts, favorisiert. „In den allermeisten Fällen nutzen wir verschiedenste Methoden, um ganz unterschiedliche Informationen über komplexe Materialsysteme zu gewinnen“, sagt die Wissenschaftlerin. Ihr jüngster Erfolg ist die Anwendung der sogenannten Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Flüssigkeitszellen, um einen Kupferkatalysator während der aktiven Elektrokatalyse zu beobachten. Die TEM verwendet Elektronenstrahlen anstelle der Lichtstrahlen in optischen Mikroskopen. Da diese sehr viel kürzere Wellenlängen als Lichtstrahlen besitzen, können moderne Geräte Strukturen unterhalb von einem Nanometer (einem Millionstel Millimeter) abbilden. Die Elektronenstrahlen durchdringen die Probe und je nach Elektronendichte des Atoms, auf das sie treffen, werden die Elektronen unterschiedlich absorbiert oder abgelenkt. Hinter der Probe werden die Elektronenstrahlen gebündelt und auf einen Detektor gelenkt.

Der Vorteil der jüngsten Entwicklung: Während die Standard-TEM im Vakuum stattfinden muss, damit die Elektronen nicht zusätzlich gestreut werden, ermöglicht es diese Weiterentwicklung, einen elektrochemischen Katalysator in einer Flüssigzelle während der Reaktion live zu beobachten. Dazu musste das Team von Beatriz Roldán Cuenya winzige, mit Flüssigkeit gefüllte elektrolytische Reaktionszellen verwenden, deren Volumen weniger als ein Nanoliter (ein Millionstel Milliliter) betrug. „Erstmalig konnten wir so den Veränderungen der Katalysatorstrukturen während der Reaktion zusehen. Das liefert wertvolle Informationen, wie man diesen Katalysator in der Zukunft kontrollieren und optimieren kann“, so Beatriz Roldán Cuenya. 

Beatriz Roldán Cuenya ist Direktorin der Abteilung Grenzflächenwissenschaft des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft. Ihr Forschungsinteresse gilt dem Verständnis des Zusammenspiels von Faktoren, die das physikalisch-chemische Verhalten von Nanostrukturen und ihren Grenzflächen bestimmen. Ziel ist die Optimierung ihrer Effizienz für Anwendungen in der Katalyse und insbesondere in der Energieumwandlung.