Anhand von Molekülstrukturen gelingt es Forschern, neue Arzneimittel und Impfstoffe zu entwickeln.
Um ein Strukturmodell zu erhalten, wird ein Kristall (zum Beispiel aus DNA) mit Röntgen- oder Neutronenstrahlung beschossen und die gebeugten Strahlen werden mit einem Detektor gemessen. Mit diesen Messdaten wird ein dreidimensionales Modell der chemischen Struktur konstruiert, welches die gemessenen Daten möglichst genau erklären soll. Die Qualität der Röntgen- oder Neutronenbeugungsdaten ist konsequenterweise zusammen mit dem grundlegenden chemischen Wissen, mit dem die Molekülstruktur modelliert wird, der Schlüssel zu einer guten Struktur und allen Erkenntnissen, die mit dem neu entdeckten Molekül generiert werden können.
In den letzten Jahren wurden in Deutschland und Europa große Summen in diese Technologie investiert, unter anderem für den 3,4 km langen Röntgenlaser European XFEL in Hamburg. Diese Innovationen haben die Messgeschwindigkeit und die Anzahl an gemessenen Datensätzen enorm erhöht. "Für eine volle Ausnutzung dieser Datenflut wird allerdings auch eine zuverlässige
automatische Analyse benötigt, die Nutzern ein direktes Feedback zur Messung gibt.", betont Dr. Andrea Thorn.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelt die junge Gruppenleiterin in der Forschungsgruppe von Prof. Hermann Schindelin am Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg derzeit eine neue Software namens AUSPEX (www.auspex.de), die Kristallographen hilft, ihre Messung und die Prozessierung der Daten zu optimieren. Im Mai dieses Jahres bewilligte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine Förderung für dieses Vorhaben, die es der Würzburger Wissenschaftlerin erlaubt, für dieses Projekt vier große europäische Teilchenbeschleuniger zusammenzubringen: Den Europäischen Röntgenlaser XFEL in Hamburg, das BESSY-Synchrotron in Berlin und die Europäische Synchrotron in Grenoble (Frankreich) sowie die Europäische Neutronenquelle ESS, die derzeit in Lund (Schweden) gebaut wird. Mit AUSPEX werden neue Qualitätsstandards für die an
Großanalysegeräten gewonnene Daten gesetzt.
In einem zweiten, seit Juni 2019 von der DFG geförderten Projekt, schließt Thorn die Lücken in unserem fundamentalen Verständnis makromolekularer Kristalle, um so die Modelle, mit denen Protein- und RNA/DNA-Strukturen gebaut werden, zu verbessern.
"Mit einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien können wir experimentelle Daten besser interpretieren.", sagt Thorn. "Wir können die Aufklärung neuer Strukturen angehen, die bisher an der Qualität der Daten und unseren Modellen gescheitert ist. Mit einem besseren Modell könnten wir auch die über 100 000 bisher bekannten biologischen Struktur optimieren – umso auch mehr
medizinische und biologische Informationen zu erhalten."
Nach Einschätzung der Strukturbiologin werden die neue Molekülmodelle und eine höhere Qualität bei den Messdaten es Wissenschaftlern erlauben, den Informationsgehalt der Messungen besser auszuschöpfen. Dies wird es nicht nur ermöglichen, schwierigere medizinische und biologische Fragestellungen zu klären, sondern auch Downstream-Methoden wie die Molekulardynamik und das strukturbasierte Wirkstoffdesign nachhaltig zu verbessern.
Ein erster Prototyp der AUSPEX-
Software ist bereits auf dem Server des Rudolf-Virchow-Zentrums unter www.auspex.de verfügbar. Die fertige Software soll zudem Nutzer/innen europäischer Forschungseinrichtungen als Teil der Programmpakete ISPyB, XDSAPP und CCP4 zur Verfügung gestellt werden.
MEDICA.de; Quelle: Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg
