Von der „Blobologie“ zur atomaren Präzision: Wisconsins Führungsrolle im Bereich Kryo

von Karen Lowry Miller | 3. Januar 2023

Mikroskope haben sich im Vergleich zu dem, was viele Menschen aus ihrem Biologieunterricht in der Highschool erinnern, weit weiterentwickelt. Anstatt durch eine Linse zu blicken, können Wissenschaftler jetzt 3D-Bilder erstellen, indem sie Elektronenstrahlen auf Proteinstrukturen schießen, die eingefroren wurden, um ihre Form beizubehalten.

Diese hochmoderne Technologie, Kryo-Elektronenmikroskopie oder Kryo-EM genannt, treibt eine vielversprechende Zusammenarbeit zwischen der Abteilung für Biochemie der UW-Madison und dem Morgridge Institute voran. Die Partner erkannten, dass sie Gefahr liefen, ins Hintertreffen zu geraten, und arbeiteten daran, ein Zentrum aufzubauen, das ein breites Forschungsspektrum auf dem Campus unterstützt und heute ein nationales Zentrum für Ausbildung und Forschungsentwicklung ist.

Bei der Kryo-EM geht es darum, klarere und detailliertere Bilder der Struktur von Molekülen zu erhalten. Wissenschaftler benötigen diese Auflösung auf atomarer Ebene, um beispielsweise zu verstehen, wie Proteine ​​bei Krankheiten versagen und wie sie bei der Entwicklung eines neuen Arzneimittels gezielt angegriffen werden können. Die Probe wird in flüssigem Ethan schockgefroren, was dazu beiträgt, den Schaden zu reduzieren, der zwangsläufig jedes Mal auftritt, wenn die Elektronen auftreffen, um ein Bild zu sichern.

„Wir leisten Pionierarbeit in verschiedenen Aspekten des Denkens über Berechnungen, die Entwicklung von Hardcore-Algorithmen und die Art und Weise, wie wir diese Mikroskope verwenden, um anspruchsvolle biologische Fragen zu untersuchen.“

Die Technologie stammt aus dem Jahr 1974, doch der Boom begann vor etwa zehn Jahren, als fortschrittlichere Hardware auf den Markt kam. Wie viele Universitäten im Land erkannte UW-Madison, dass man sich ernsthaft mit Kryo-EM befassen musste, sonst riskierte man, ernsthaft ins Hintertreffen zu geraten. Die Forscher von Morgridge und der Biochemie-Abteilung begannen damit, die besten Experten der Welt auf den Campus einzuladen, um Vorträge zu halten, damit sie lernen konnten, wie es funktioniert, und verstehen konnten, was sie tun mussten.

Im Jahr 2018 kam das Feld in den Vereinigten Staaten in Schwung, als die National Institutes of Health drei nationale Kryo-EM-Zentren für die Einzelpartikelanalyse einrichteten, eine Art Plug-and-Play-Ansatz, bei dem ein Wissenschaftler ein einzelnes Bild betrachten möchte Probe.

UW-Madison beschloss, ein eigenes Zentrum einzurichten, das sich auf den komplexeren Ansatz namens Tomographie konzentriert. Ähnlich wie bei einer Person, die sich einer MRT unterzieht, werden die Proben gedreht und 120–140 Bilder aus jedem Winkel aufgenommen, um das Molekül zu rekonstruieren.

Morgridge und die Abteilung für Biochemie schlossen sich 2018 außerdem zusammen, um Elizabeth Wright von der Emory University zu rekrutieren, wo sie ein ähnliches Kryo-EM-Zentrum von Grund auf aufgebaut hatte. Alles passte zusammen, als das NIH einen Vorschlag zur Unterstützung von Kryo-EM-Tomographiezentren vorlegte – UW-Madison bewarb sich und gewann.

Die Tiefe der Partnerschaft war von Anfang an klar. Der Kauf teurer Geräte über eine staatliche Universität kann einen Hüpfergang erfordern, der bis zu zwei Jahre dauern kann. Deshalb bot die Abteilung an, andere Kosten zu übernehmen, wenn Morgridge die Mikroskope besorgen könnte. „Wir haben anschließend alle Verhandlungen geführt, weil wir einander genug vertrauten, um zu wissen, dass es funktionieren würde, und das hat auch funktioniert“, sagt Brad Schwartz, CEO von Morgridge.

Nach umfangreichen Renovierungsarbeiten, zu denen auch das Gießen dicker Betonplatten gehörte, auf denen ein Antivibrationstisch stand, um die empfindliche Ausrüstung ruhig zu halten, wurden die ersten vier Mikroskope schnell geliefert, gerade als die Pandemie den Campus im März 2020 zur Schließung zwang.

Vor zehn Jahren beschäftigten sich Wissenschaftler mit dem, was Wright „Blobologie“ nennt, als alle aufgenommenen Bilder wie kleine Molekülklumpen aussahen und man nicht genau erkennen konnte, was vor sich ging. Auf den Bildern von heute hingegen kann man sehen, wo sich alle Atome befinden – als würde man von Knete zu Bastelspielzeug wechseln.

Bei diesem Vorgang werden so viele Daten generiert, dass normale Laptops die zum Sortieren und Analysieren aller Bilder erforderlichen Berechnungen nicht bewältigen können. Hier kommt die Hochdurchsatz-Rechenkapazität von Morgridge ins Spiel, die für ein Labor genauso wichtig geworden ist wie die Beleuchtung. „Ohne wirklich gute Berechnung sind die Kryo-EM-Mikroskope einfach überteuerte Briefbeschwerer“, sagt Wright.

Brian Bockelman, Forscher im Bereich Informatik am Institut, greift auf umfangreiche Erfahrungen bei der Zusammenarbeit mit Physikern bei Projekten zurück, die große Datenmengen erfordern, da die Grundlagen dieselben sind. Seine Recheninfrastruktur hilft dem Kryo-EM-Zentrum dabei, die Partikel zu extrahieren, die einen Forscher interessieren, um die benötigten 3D-Strukturen mit höherer Auflösung zu erzeugen. „Ich würde es lieben, wenn Forscher auf dem Campus uns mit Rechen- und Datenherausforderungen überhäufen würden, damit sie uns wirklich dazu bringen können, besser zu denken“, sagt Bockelman.

Morgridge bringt auch das Fachwissen von Tim Grant ein, einem Spezialisten für biomedizinische Bildgebung und Assistenzprofessor für Biochemie, der Algorithmen entwickelt und neue Methoden zur Verbesserung der Bildgebung und ihrer Analyse anwendet.

Das Zentrum hat mit einer Vielzahl von Forschern gesprochen und arbeitet bereits mit fast 50 Gruppen aus vielen verschiedenen Wissenschaftsbereichen zusammen. Neben den Forschern, die sich mit Proteinen befassen, beschäftigen sich viele auch mit Viren wie SARS-CoV-2 und HIV. Andere arbeiten mit Bakterien, um zu verstehen, wie man neue antimikrobielle Mittel und Antibiotika entwickelt. Einige Gruppen möchten sich stärker mit Gewebe wie dem Auge oder Gehirngewebe befassen, um verschiedene neurodegenerative Erkrankungen und die Entwicklung des Gehirns zu verstehen.

„Wir leisten Pionierarbeit in verschiedenen Aspekten des Denkens über Berechnungen, die Entwicklung von Hardcore-Algorithmen und die Art und Weise, wie wir diese Mikroskope verwenden, um anspruchsvolle biologische Fragen zu untersuchen“, sagt Wright.