Neue Generation Kryo-EM-Probenvorbereitungsgerät

• Fachliche Zuordnung: Grundlagen der Biologie und Medizin
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570467104

In den vergangenen Jahren hat die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), einschließlich der Einzelpartikelanalyse und der Kryo-Elektronentomographie, das Gebiet der Strukturbiologie revolutioniert. Sie ermöglicht die hochauflösende 3D-Visualisierung biologischer Makromoleküle in-vitro und in-situ und liefert entscheidende Einblicke in deren molekulare Strukturen, Wirkmechanismen, Funktion und Regulation sowie in zelluläre Interaktionen und den räumlich-zeitlichen zellulären Kontext. Der Erfolg und die Gesamtqualität der Kryo-EM-Daten hängen jedoch stark von der Probenvorbereitung ab, die darauf abzielt, die native Probenkonformation zu erhalten und gleichzeitig deren Eignung für die Bildgebung sicherzustellen. Trotz bedeutender technischer Fortschritte bei den Mikroskopen und der Bildverarbeitungssoftware, welche zur „Revolution“ in der Strukturbiologie der letzten Jahre geführt haben, hat sich die Probenvorbereitung in der Einzelpartikelanalyse seit Jahrzehnten kaum verändert. In diesem konventionellen, nicht automatisierten Verfahren werden mehrere Mikroliter einer Probe manuell auf einen Träger aufgetragen, das überschüssige Volumen durch Löschpapier entfernt und anschließend in flüssigem Ethan schockgefroren. Dieser Ablauf weist mehrere Einschränkungen auf, die letztlich die Erfolgsrate, die Datenqualität und die Anwendbarkeit beeinträchtigen. Es fehlt an vollständiger Automatisierung, die Reproduzierbarkeit ist gering, und es bestehen kaum Möglichkeiten zur Überwachung und Feinabstimmung entscheidender Parameter wie der Strategie zur Probenauftragung. Darüber hinaus ist das ‘Blotting’-Verfahren selbst äußerst ineffizient, da etwa 99 % der Probe verworfen werden. Angesichts der Tatsache, dass die Kryo-EM hochauflösende 3D-Strukturen aus nur wenigen (hunderttausend) Partikeln rekonstruieren kann, die aus nur wenigen Mikrolitern Zellmaterial gewonnen werden können, wird die Bedeutung und das Potenzial neuer Generationen von Kryo-EM-Probenpräparationsgeräten deutlich. Die Möglichkeit, die benötigte Probenmenge um mehrere Größenordnungen zu reduzieren, würde völlig neue Forschungszweige ermöglichen – etwa die strukturelle Aufklärung endogen aufgereinigter Proteine und Proteinkomplexe aus seltenen Quellen wie Modellsystemen oder Patientenmaterial. In den letzten Jahren wurden mehrere Strategien zur Optimierung und Automatisierung der Probenvorbereitung vorgeschlagen, von denen jedoch nur wenige ein kommerzielles Niveau erreicht haben. Wir wollen diese Technologie in unsere Forschung integrieren um an der Universität Heidelberg Vorreiter in Spitzenforschung zu sein. Mit der entsprechenden Expertise und den richtigen wissenschaftlichen Fragestellungen birgt dieses neue Verfahren das Potenzial für enorme Durchbrüche.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Neue Generation Kryo-EM-Probenvorbereitungsgerät
• Gerätegruppe: 5140 Hilfsgeräte und Zubehör für Elektronenmikroskope
• Antragstellende Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Leiterin: Professorin Dr. Cristina Paulino