Wie wachsen Proteinkristalle?

Kristallisation von Lysozym Schematische Darstellung der verschiedenen Stadien der Kristallisation von Lysozym. Zwei Lysozymmoleküle schwimmen als Dimere in der Lösung, illustriert durch zwei Kreise mit einem roten Verbindungsstrich. Verästelte Fraktale (schwarze Kreise verbunden durch dicke schwarze Striche) koexistieren mit den wachsenden Kristallen (graue kubische Objekte). Im Hintergrund sieht man ein Foto von Lysozymkristallen vor einem Millimeterpapierhintergrund. © Tobias Schrader / Forschungszentrum Jülich

Schematische Darstellung der verschiedenen Stadien der Kristallisation von Lysozym. Zwei Lysozymmoleküle schwimmen als Dimere in der Lösung, illustriert durch zwei Kreise mit einem roten Verbindungsstrich. Verästelte Fraktale (schwarze Kreise verbunden durch dicke schwarze Striche) koexistieren mit den wachsenden Kristallen (graue kubische Objekte). Im Hintergrund sieht man ein Foto von Lysozymkristallen vor einem Millimeterpapierhintergrund. © Tobias Schrader / Forschungszentrum Jülich

Forscher des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (Forschungszentrum Jülich) haben in einem Experiment am Institut Laue-Langevin (ILL) die Kristallisation des Proteins Lysozym untersucht. Sie konzentrierten sich auf Bedingungen, bei denen besonders große Kristalle entstehen, die auch für die hochaufgelöste Neutronendiffraktion ausreichen würden. Bei der Proteinneutronendiffraktion besteht das besondere Problem, große Kristalle zu erzeugen, um die atomare Auflösung zu erhalten. Viele Anwendungen dieser Methode scheitern aus Mangel an ausreichend großen Kristallen.

Die Untersuchungen an der Kristallisation von Lysozym ergaben, dass Fraktale eine große Rolle beim Kristallwachstum spielen. Fraktale sind Objekte aus einzelnen Lysozym-Molekülen, die selbst bei unendlicher Vergrößerung immer in derselben Struktur angeordnet sind. Die Lysozymmoleküle formen zunächst lange gerade Ketten. In einem späteren Kristallisationsstadium verästeln sich die Ketten immer mehr und bilden ein selbst-ähnliches dreidimensionales Objekt. Diese Objekte wachsen weiter und aus ihnen bilden sich dann die ersten Kristallkeime. Später werden diese Objekte dann auch als Ganzes in die wachsenden Kristalle eingebaut.

Bisher hatten Wissenschaftler die spezielle Rolle der Fraktale nur mit Lichtstreuung untersucht. Die Jülicher Forscher konnten dies jetzt mit Hilfe der Neutronenstreuung an der Kleinwinkelstreuanlage D11 des ILL und Röntgenstreuung nachweisen. Zuvor hatten sie den Experimentaufbau an der Kleinwinkelstreuanlage KWS-2 am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum getestet.

Das Ergebnis ist eine sehr detailgetreue Beschreibung der Kristallisation von Lyoszym und erlaubt Verbesserungen an den Kristallisationsbedingungen für andere Proteine, um auch aus ihnen ausreichend große Kristalle für die Neutronenproteindiffraktion züchten zu können.