Heinz-Bethge-Nachwuchspreis 2014 für Kryoelektronenmikroskopie an bioenergetischen Membranen

Für das Verständnis essentieller biologischer Vorgänge auf Molekülebene wie der Photosynthese oder der Zellatmung sind hochaufgelöste Bilder notwendig. In seiner Promotion beschreibt Dr. Bertram Daum ein Verfahren, um elektronenmikroskopische Bilder von Makromolekülen in Zellmembranen zu ermöglichen. Dafür wird er mit dem Nachwuchspreis der Bethge-Stiftung für angewandte Elektronenmikroskopie 2014 ausgezeichnet.

Zur Jahresversammlung der Heinz-Bethge-Stiftung für angewandte Elektronenmikroskopie in Halle (Saale) wurde der diesjährige Heinz-Bethge-Nachwuchspreis an Dr. Bertram Daum vom Max-Planck-Institut für Biophysik aus Frankfurt (Main) für seine herausragende Dissertation verliehen. Sie trägt den Titel "Kryoelektronentomographie an bioenergetischen Membranen". In dieser widmet sich der Biologe Daum intensiv der Frage, was sich mit Hilfe des Elektronenmikroskops (EM) über die Struktur von Makromolekülen und damit über bioenergetische Prozesse herausfinden lässt.

Im Vergleich zur Lichtmikroskopie kann die Elektronenmikroskopie durch die geringere Wellenlänge von schnellen Elektronen eine höhere Auflösung erreichen und somit weitaus tiefere Einblicke in den Mikrokosmos ermöglichen. Bei der Kryoelektronentomographie können intakte Zellstrukturen auf molekularer Ebene und in 3D untersucht werden. Dazu werden sie vorher in flüssigem Ethan schockgefroren, um einerseits dem Vakuum im EM standzuhalten als auch eine lebensnahe Momentaufnahme zu ermöglichen. Die große Herausforderung besteht allerdings beim Einsatz von biologischen Proben. Durch den geringen Streuquerschnitt von diesen ist der Kontrast gering und da die intensive Strahlenbelastung den biologischen Proben massiv zusetzt, lässt er sich auch durch eine stärkere Beleuchtung nicht so einfach erhöhen. Diese Hürden konnte Daum mithilfe einer sogenannten Subtomogramm-Mittelung umgehen, die in einer Probe wiederholt vorkommende Partikel im Computer mittelt und somit die maximal möglichen Informationen aus den Bilddaten zieht.

In der Folge analysierte Daum die in den Membranen von Mitochondrien vorkommenden ATP-Synthase, ein Proteinkomplex, der in den meisten Organismen die chemische Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) produziert. ATP ist der universelle Energieträger in Zellen und ein wichtiger Regulator bei energieliefernden Prozessen. Anhand des Vergleichs der Daten von Pilzen, Säugern und Pflanzen konnte Daum neue Erkenntnisse über die molekularen Prozesse der zellulären Energieumwandlung und des Alterns gewinnen. So beispielsweise, dass sowohl die ATP-Synthasen als auch die Mitochondrien während des Alterns von Zellen fragmentieren, was darauf hinweist, dass alternde Zellen weniger ATP zur Verfügung haben und schließlich sterben.

"Die Arbeit von Herrn Daum zeigt auf eindrucksvolle Weise, wie mit viel Fleiß und Forscherdrang Grundlagenforschung an etablierten Technologien wie der Elektronenmikroskopie neue Anwendungsfelder erschlossen werden können", sagt Professor Dieter Katzer, Vorsitzender der Jury und ehemaliger Leiter des Fraunhofer-Institutes für Werkstoffmechanik IWM Halle. Die Auszeichnung ist mit einem Preisgeld von 500 € verbunden. Die Verleihung des Bethge-Nachwuchs-Preises erfolgt nach europaweiter Ausschreibung jährlich zur Jahresversammlung der Bethge-Stiftung. Die Arbeiten werden in vier Kriterien bewertet: experimentelle bzw. methodische Komplexität, Originalität, Anwendungsorientiertheit und wissenschaftliche Qualität.

Heinz-Bethge-Stiftung

Zweck der Heinz-Bethge-Stiftung ist die Organisation und Koordinierung von Ausbildung und Weiterbildung junger Wissenschaftler auf den Gebieten der Elektronenmikroskopie, Materialwissenschaft und Mikrostrukturdiagnostik. Weitere Ziele sind die Organisation wissenschaftlicher Veranstaltungen, die Förderung der Netzwerkbildung zwischen Forschungsinstituten und Ausbildungseinrichtungen in Mitteldeutschland sowie die öffentlichkeitswirksame Darstellung der elektronen-mikroskopischen Kompetenzen im Raum Halle (Saale). Die Heinz-Bethge-Stiftung erinnert an den langjährigen Präsidenten der heutigen Deutschen Nationalakademie Leopoldina und Gründungsdirektor des Akademie-Instituts für Festkörperphysik und Elektronenmikroskopie in Halle (Saale), aus dem nach der Wende das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik sowie das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hervorgingen. Die Stiftung vereinigt zahlreiche Firmen der geräteherstellenden Industrie sowie Privatpersonen.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Die zentrale Herausforderung der Menschheit im 21. Jahrhundert ist die Nachhaltigkeit aller Lebensbereiche, insbesondere der effiziente Umgang mit begrenzten Rohstoffen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM betreibt angewandte Forschung im Bereich der Materialeffizienz und ist Impulsgeber, Innovator und Problemlöser für die Industrie und für öffentliche Auftraggeber in den Bereichen Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer und Funktionalität von Werkstoffen in Bauteilen und Systemen. Die Kernkompetenzen liegen im Bereich der Simulation und Charakterisierung von Werkstoffen bis auf die atomare Skala sowie in der Materialentwicklung.

Quelle: idw / Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)