Der Leitende DESY-Wissenschaftler Henry Chapman bekommt den Gregori-Aminoff-Preis für Kristallographie 2021. Das hat die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm bekanntgegeben. Zusammen mit Janos Hajdu von der Universität Uppsala und John Spence von der Arizona State University wird Chapman „für wegweisende Beiträge zur Entwicklung der Strukturbiologie an Freie-Elektronen-Röntgenlasern“ ausgezeichnet.

Die meisten Prozesse in Zellen und Organismen werden durch Proteine gesteuert, was diese biologischen Makromoleküle zum Ziel fast aller Medikamente macht. Kristalle, die sich aus Proteinen züchten lassen, beugen Röntgenstrahlen auf charakteristische Weise, wodurch sich mit Hilfe der Kristallographie detaillierte Informationen über ihre molekulare Struktur gewinnen lassen. Die Kenntnis der Proteinstruktur ist entscheidend für das Verständnis der Funktionsweise dieser Biomoleküle und kann bei der Entwicklung neuer und verbesserter Medikamente helfen. Proteinkristalle sind jedoch oft sehr klein und empfindlich, so dass sie zerstört werden, bevor genügend gebeugte Röntgenstrahlen gemessen werden können.

Spence, Hajdu und Chapman, der auch Professor an der Universität Hamburg ist, haben Methoden entwickelt, mit denen sich unerreichte Einblicke in Biomoleküle und andere biologische Strukturen gewinnen lassen. Die Forscher nutzen dabei Prinzipien der Kristallographie und haben daraus Verfahren für den Einsatz an einer ganz neuen Generation von Röntgenlichtquellen entwickelt: Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) werden von starken Teilchenbeschleunigern angetrieben, die Elektronen auf hohe Energien bringen. Die schnellen Teilchen werden anschließend durch magnetische Slalomstrecken geschickt, in denen sie laserartige Röntgenpulse abgeben. Röntgenlaser wie der European XFEL, der sich vom DESY-Campus in Hamburg bis ins benachbarte Schenefeld erstreckt, sind die hellsten Röntgenlichtquellen der Welt.

“Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt sind Röntgen-FELs auf der Bildfläche erschienen, und es schien zunächst unmöglich, ihre extrem starken Pulse für Messungen mit der für die Strukturbiologie erforderlichen atomaren Präzision einzusetzen“, erläutert Chapman, der auch Physikprofessor an der Universität Hamburg ist. „Ich hatte das Glück, dass es hier in Hamburg den Plan gab, eine wissenschaftliche Gemeinschaft aufzubauen, um sich auf die Möglichkeiten dieser neuen Werkzeuge vorzubereiten, und dass ich eingeladen wurde, Teil dieser Gemeinschaft zu sein. Ich hatte ebenso das Glück einer wunderbaren wissenschaftlichen Kooperation mit Janos Hajdu und John Spence sowie vielen anderen Kollegen.“

Die von Spence, Hajdu und Chapman entwickelten Methoden haben die Proteinkristallographie an Röntgenlasern ermöglicht und damit wesentliche Fortschritte in verschiedenen Bereichen der Strukturbiologie gebracht. Beispiele sind ein besseres Verständnis von Enzymen, die mit XFELs bei physiologischen Temperaturen gemessen werden können, die Analyse der molekularen Dynamik der Photosynthese, neue Erkenntnisse über die Genregulation und die Möglichkeit, die molekulare Struktur von Hormonrezeptoren zu bestimmen.

Die zentrale Methode für diese Untersuchungen ist die serielle Femtosekunden-Kristallographie SFX. Sie hat sich zu einer der wichtigsten Anwendungen von Röntgen-FELs entwickelt, da sie unter anderem die Strukturbestimmung bei Proben ermöglicht, die für eine konventionelle Analyse zu klein sind, Strahlenschäden vermeidet und zeitaufgelöste Messungen erlaubt. Bei der SFX werden viele sehr kleine Kristalle durch den Laserstrahl geschossen und mit Röntgenpulsen von wenigen Femtosekunden (billiardstel Sekunden) Dauer analysiert. Alle drei Preisträger sind Sprecher innerhalb des SFX-Nutzerkonsortiums am European XFEL, das Chapman 2012 initiiert hat.

Die nach dem schwedischen Mineralogen und Künstler Gregori Aminoff benannte Auszeichnung ist mit 80 000 Schwedischen Kronen (rund 7700 Euro) dotiert. Sie wird seit 1979 für herausragende Leistungen in der Kristallographie verliehen. Die Preisverleihung findet am 26. März 2021 in Stockholm auf der Jahresfeier der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften statt.

 

Mitteilung der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften