Peltier-Kühlbrutschrank IPP ideal für die Proteinkristallographie

Fast keine Vibrationen, fast keine Geräusche, regelgenau und präzise. Die Research Group PhosphoSites am Universitätsklinikum Frankfurt lässt ihre Proteinkristalle in einem Memmert Kühlbrutschrank IPP heranwachsen - einem Kristallwachstumsschrank par excellence. Vibrationsarm und hochpräzise.

Proteinkristallographie : Forschungsgruppe PhosphoSites / Universitätsklinikum Frankfurt lässt ihre Proteinkristalle in einem Memmert Peltier-Kühlbrutschrank in vibrationsarmer Umgebung heranwachsen.

Abbildung: Kristallstruktur der Proteinkinase PDK1 im Komplex mit ATP und einem allosterischen Aktivator. Zur besseren Übersicht ist nur das Grundgerüst des Proteins mit Sekundärstrukturen dargestellt. Die Oberfläche des Proteins ist transparent und ATP (grün) und der allosterische Aktivator (orange) sind als Stäbchenmodelle dargestellt.

 

Jedes Kind lernt, dass Proteine lebenswichtig sind und isst mehr oder weniger brav sein Frühstücksei. Doch nur wenige Menschen wissen um die Bedeutung dieser zentralen Bausteine des Lebens, von denen es mehrere hunderttausend im menschlichen Körper gibt. Hämoglobin transportiert den Sauerstoff ins Blut, Kollagen stützt Haut und Knochen, Antikörper wehren Krankheitserreger ab, Enzyme arbeiten als Katalysatoren für biochemische Reaktionen, andere Proteine unterstützen die Bewegungen des Muskelapparates oder die Übertragung von Impulsen zwischen Nervenzellen. Die Proteine bestehen im Wesentlichen aus 20 verschiedenen Aminosäuren.

Für die Proteinforschung ergibt sich die Komplexität aus den unendlich erscheinenden Abfolgen der Aminosäuren sowie den spezifischen räumlichen Strukturen. Das größte bekannte Protein, das für die Muskelfunktionen wesentliche Titin, besteht beispielweise aus mehr als 27.000 Aminosäuren.

Hoffnung für Diabetiker, Krebskranke und Alzheimerpatienten

Mittlerweile hat sich ein Milliardenmarkt um die Erforschung der Proteine gebildet und es gibt beinahe keine Universität, die nicht eine eigene Forschungsgruppe für Protein-Biochemie, Proteomik, oder speziell für Strukturbiologie/Proteinkristallographie, unterhält. Während die Pharmaindustrie wirtschaftlich verwertbare Medikamente mithilfe der Proteinkristallographie entwickelt, betreiben akademische Arbeitsgruppen wie die Research Group PhosphoSites am Universitätsklinikum Frankfurt unter Leitung von Dr. Ricardo M. Biondi Grundlagenforschung, bei der die Proteinkristallographie eine von mehreren Methoden darstellt, Antworten auf ihrem Forschungsgebiet zu finden. Im Fall der Frankfurter ist dies die Phosphorylierung von Proteinen durch Enzyme, so genannte Proteinkinasen, die bei Fehlfunktionen Krebs, Diabetes und neurologische Erkrankungen auslösen können. Dr. Jörg Schulze, Mitarbeiter von Dr. Biondi schätzt, dass 30 Prozent der Medikamente, die derzeit entwickelt werden, Kinasen zum Ziel haben, Tendenz steigend.

Proteinkristall Einkristall Proteinkristallpeltier-element, Dr. Ricardo M. Biondi ,Dr. Jörg Schulze

Ein perfekter Einkristall ist die Grundlage für valide Forschungsergebnisse in der Proteinkristallographie

 

Atomarer Aufbau der Proteinkristalle wird erforscht

Die Proteinkristallographie erforscht den atomaren Aufbau der Proteinmoleküle und ermöglicht damit auch Rückschlüsse auf die Wirkungsmechanismen im Körper. Dabei werden Röntgenstrahlen am Gitter der Proteinkristalle gebeugt, ein Detektor registriert die Reflexe der Beugungsmuster und über komplexe mathematische Zusammenhänge wird die 3-dimensionale Elektronendichte berechnet, die die räumliche Anordnung der Aminosäuren repräsentiert. So einfach dies klingt, so komplex ist die Proteinkristallographie in der Realität. Eine große Herausforderung ist bereits die Züchtung perfekter Einkristalle.

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Typisches Beugungsmuster eines Proteinkristalls.

 

Proteinkristalle müssen in vibrationsarmer Umgebung wachsen

Möglichst langsam und erschütterungsfrei wachsen die empfindlichen Proteinkristalle bei konstanten Temperaturen zwischen 4 °C und 20 °C oft wochen- bis monatelang im Kühlbrutschrank heran. Für die Lagerung der Kristallisationsansätze entschied sich die Research Group PhosphoSites vor allem wegen der Vibrationsarmut für den Memmert IPP 400. Dieser Kühlbrutschrank ist ideal geeignet als Kristallwachstumsschrank, da er aufgrund seiner Peltier-Technik ohne Kompressor hochpräzise temperiert.

Der Ventilator im Kühlbrutschrank wurde speziell für die Anforderungen der Proteinkristallographie noch einmal in der Leistung gedrosselt, um den Geräuschpegel und die Vibrationen auf ein Minimum zu dämpfen.

Die Elektronendichte ist als blaue Gitternetze dargestellt.Die gelben Stabmodelle repräsentieren die Aminosäuren des Proteins Doppelringsystem von Tryptophan in der Mitte.

Die Elektronendichte ist als blaue Gitternetze dargestellt. Gelb: Aminosäuren des Proteins. Rot: geordnete Wassermoleküle.

 

Regelgenauigkeit im Kühlbrutschrank
mit Peltier-Technik

Neben der Geräuscharmut und den minimalen Vibrationen spielt die exakte Regelbarkeit des Kühlbrutschranks eine wesentliche Rolle bei der Kristallisation, denn Temperaturschwankungen insbesondere während der Keimbildungsphase beeinträchtigen die Reproduzierbarkeit der Kristalle. Memmert gelang es vor 10 Jahren erstmals, die Peltier-Technik für leistungsfähige Laborgeräte zu adaptieren – und diese dann mit einem einzigen System zu beheizen und zu kühlen. Bis zu 16.000 Mal in der Sekunde wird ein Peltier-Element in einem Peltier-Kühlbrutschrank oder geschaltet und ermöglicht somit die extrem sensible Temperaturregelung.

Bienenzucht im Peltier-Kühlbrutschrank

Vibrationsarme Umgebung: Die Würzburger BEEgroup betreibt im Kühlbrutschrank mit Peltier-Elementen Grundlagenforschung zur Bienengesundheit.

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Bildnachweis: Research Group PhosphoSites