Funktionelle Nanomembranen für die hochauflösende Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie von Biomolekülen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Terfort, seit 9/2017; Professor Dr. Andrey Turchanin
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255210654

Die Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie (KryoTEM) ist eine leistungsfähige Methode der Strukturbiologie, mit deren Hilfe die Strukturen vitrifizierter Biomoleküle aufgeklärt werden können. Dabei werden die Biomoleküle in eine dünne freistehende Schicht aus amorphem Eis eingebettet, dessen schlechte elektrische und mechanische Eigenschaften zu Instabilitäten während der Datenaufnahme führen und einen Verlust von Bildinformation bedingen. Hinzu kommt, dass viele Proteine niedrige Expressionsraten aufweisen oder Aufreinigungsprozeduren nicht überstehen, so dass nicht genügend Material für die Strukturanalyse mittels KryoTEM zur Verfügung steht. In diesem Projekt möchten wir ultradünne (~1-5 nm), funktionalisierte Kohlenstoff-Nanomembranen entwickeln, die wir als Trägerfilme für Biomoleküle nutzen wollen, um diese Probleme bezüglich der Probenpräparation für die KryoTEM zu lösen. Die zu entwickelnden funktionalisierten Nanomembranen zeichnen sich aus durch (i) Affinitätsgruppen, die spezifisch entsprechend markierte Biomoleküle binden, (ii) hohe elektrische Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen, um die Elektronenstrahl-induzierte Aufladung der Probe zu vermeiden, und (iii) hohe mechanische Stabilität der freistehenden Filme zur Stabilisierung der vitrifizierten Proben. Mit diesen neuartigen Trägerfilme sollen vor allem zwei Zielsetzungen erreicht werden: Zum einen wollen wir die mit KryoTEM vitrifizierter Biomoleküle erreichbare Auflösung erhöhen und zum anderen möchten wir mit den funktionalisierten Nanomembranen die direkte Isolierung markierter Biomoleküle aus Gemischen erreichen, so dass die Proben ohne Umweg vitrifiziert und mittels KryoTEM untersucht werden können. Um diese neuartigen KryoTEM-Trägerfilme zu charakterisieren, wenden wir eine Vielzahl komplementärer Methoden an, welche die Interdisziplinarität dieses Projektes wiederspiegeln. Darunter sind spektroskopische und mikroskopische Methoden der Festkörperphysik, Methoden der chemischen Synthese und der biologischen Elektronenmikroskopie. Das ultimative Ziel dieses Projektes ist es, funktionalisierte Nanomembranen routinemäßig für die in situ Aufreinigung und KryoTEM-Analyse von Proteinen mit unbekannter Struktur zu nutzen. Darüber hinaus planen wir, funktionalisierte Nanomembranen für die 2D-Kristallisation von Membranproteinen zu nutzen, die normalerweise keine für die Strukturaufklärung mittels KryoTEM ausreichend guten 2D-Kristalle bilden. Wir sind überzeugt, dass der hier vorgestellte Ansatz, die Probenpräparation und die erreichbare Auflösung zu verbessern, die Möglichkeiten der biologischen KryoTEM entscheidend erweitert und damit neue Entwicklungen in der Strukturbiologie vorantreibt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Daniel Rhinow, bis 8/2017