SHALOM 39 - Wissenschaftliche Forschung - Das Geheimnis des Ribosoms

In den letzten Jahren galten die grossen Presseschlagzeilen in Bezug auf die Forschung vor allem den Fortschritten im Bereich der Telekommunikation im Allgemeinen und des Internets im Besonderen. Während dieser Zeit haben aber die wissenschaftlichen Forscher in anderen Bereichen auch nicht geschlafen, ganz sicher nicht in Israel. So ist es Professor ADA YONATH vom Weizmann Institut gelungen, einen Aufsehen erregenden Durchbruch bei der Entdeckung der Funktionsweise von Ribosomen durch die Kristallisierung dieser «Proteinenfabrik» zu erzielen. Bevor wir aber zu verstehen versuchen, wie uns diese Entdeckung, deren unmittelbare Anwendungen sowohl im Bereich der Prävention, der medizinischen Behandlung und der Landwirtschaft noch nicht alle definiert werden konnten, direkt zugute kommen wird, drängt sich eine grundlegende Erläuterung auf.

Das Ribosom ist der komplizierteste Bestandteil, der in allen lebenden Zellen vorkommt; es ist für die Umsetzungsphase der Protein-Biosynthese zuständig. Es handelt sich um hybride Zellorganellen, die zu 1/3 aus Proteinen und zu 2/3 aus RNS (Ribonukleinsäure) bestehen. Diese eigentliche «Proteinfabrik» ist ein gewaltiger Komplex, der bei einer Bakterie über 50 Proteine und fast 5000 Nukleotide umfasst. Von dieser für das Leben der Zelle wesentlichen Partikel sind 15'000 Exemplare in einer Bakterie vorhanden, sie machen einen Viertel ihres Gewichts aus. Das Ribosom, das aus zahlreichen Molekülen besteht, erscheint winzig im Vergleich zu unseren alltäglichen Masseinheiten, ist jedoch riesig gegenüber den anderen Elementen in einer Zelle. Es ist mit einer fast unermesslichen Geschwindigkeit in wesentlichem Ausmass für das Leben tätig: für die genaue Synthese der Proteine, welche die Strukturen des Körpers bilden, wie beispielsweise Muskeln oder Kollagen, und die chemischen Reaktionen katalysieren. Ribosomen sind demnach überall in der Natur vorhanden und scheinen sich bei den diversen Spezies nicht voneinander zu unterscheiden. Die Tätigkeit des Ribosoms wirkt sich nicht nur direkt auf die Körperfunktionen aus, sondern kann auch unser Verhalten beeinflussen.

Die von Professor Yonath geleiteten Forschungsarbeiten wurden vor ihr von ca. fünfzehn Nobelpreisträgern in Angriff genommen, die alle an der Aufgabe scheiterten. Es gibt weltweit drei bedeutende Ribosomenforschungszentren in Moskau, Berlin und Strassburg. Als Professor Yonath bekannt gab, sie wolle nun ihrerseits herausfinden, wie diese «Fabrik» funktioniere, die alle anderen Proteine des Körpers produziert, entlockte dies ihren Kollegen überall auf der Welt ein amüsiertes Lächeln. Als diese aber begriffen, dass Ada Yonath sich nicht nur auf dem richtigen Weg befand, sondern auch für einen Nobelpreis zur Diskussion stand, sprangen ihre Kritiker auf den fahrenden Zug, begannen ihre Methoden abzukupfern und versuchten sie noch auf der Ziellinie zu schlagen. Während über zwanzig Jahren hat sich Professor Ada Yonath also bei ihrer Forschung auf eine der wichtigsten und komplexesten Fragen der Molekularbiologie konzentriert, die man kaum in einem kurzen, verallgemeinernden Artikel zusammenfassen kann. Bei einem Gespräch sagte uns Professor Yonath insbesondere: «Wenn man die Funktionsweise der Ribosomen verstehen möchte, muss man zunächst ihre Struktur erkennen und begreifen. In der Biologie bestimmt die Struktur die Funktionsweise. Es gibt aber weltweit kein Mikroskop, mit dem man die Details wahrnehmen kann, welche die Kontrolle über diese Funktionsweise erklären können. Es musste uns folglich gelingen, diese Einheit von Molekülen zu kristallisieren, aus denen die Grundstruktur des Ribosoms besteht.»

Die langen und schwierigen Jahre, in denen sich Professor Yonath ihrer Forschung widmete, sind mit zahlreichen Anekdoten verknüpft. Eine von ihnen ist es ganz besonders wert, kurz erzählt zu werden. Am Ende eines wissenschaftlichen Kongresses, der gegen Ende der 70er Jahre in den Rocky Mountains von Kanada stattfand, wurde Professor Yonath eingeladen, an einer Exkursion zu den natürlichen warmen Quellen der Region teilzunehmen. In der Gruppe der Teilnehmer befand sich auch der deutsche Wissenschaftler Heinz Günter Wittmann, der Direktor des berühmten Max Planck Instituts für molekulare Genetik in Berlin. Diese Koryphäe auf seinem Gebiet freundete sich nicht nur mit Ada Yonath an, sondern bot ihr auch an, zwei Monate mit ihr zusammen zu arbeiten. Das Labor beschäftigte zu jenem Zeitpunkt 120 Forscher, und Ada Yonath entdeckte, dass die Tiefkühlvorrichtungen im Institut von Dr. Wittmann überquollen von reinen Ribosomen, was für die Forschung auf diesem Gebiet eine wahre Goldgrube darstellte. Die Ribosomen waren als «Abfall» aus einer anderen Reihe von wissenschaftlichen Versuchen übrig geblieben. Die Zusammenarbeit, die sich in der Folge zwischen den beiden Wissenschaftlern entwickelte, verwandelte sich sehr bald in eine äusserst enge Arbeitsbeziehung. Seit diesem Zeitpunkt verbrachte die israelische Wissenschaftlerin während fast 20 Jahren knapp die Hälfte ihrer Arbeitszeit in Deutschland. Während zehn Jahren leitete sie Forschungsarbeiten zu den Ribosomen, die im Teilchenbeschleuniger DESY in Hamburg stattfanden. Nach dem Tod von Dr. Wittmann 1989 arbeitete Ada Yonath mit Professor François Franceschi im Max Planck Institut von Berlin zusammen. Zu jener Zeit wurde in zahlreichen wissenschaftlichen Publikationen felsenfest behauptet, Ribosomen könnten keinesfalls kristallisiert werden, da sie instabil seien und sich sofort auflösen würden, wenn sie aus dem lebenden Organismus herausgelöst würden. Ada Yonath ging ganz anders an das Problem heran und stellte sich zunächst eine einfache Frage: «Eisbären machen einen Winterschlaf, und die Ribosomen müssten sich demnach logischerweise rasch auflösen, da ja jede Lebensfunktion unterbrochen wird. Doch unmittelbar nach ihrem Erwachen produzieren diese Bären wieder Proteine. Wie ist dies möglich, wenn die Ribosomen den Winter nicht überleben?». Sie fand eine Studie, in der bewiesen wurde, dass in den Überwinterungszellen der Bären die Ribosomen wie Kristalle nebeneinander aufgereiht wurden. Sie stellte ebenfalls fest, dass die Ribosomen sich unter starkem Druck vereinen und im Innern der Zelle einen Block bilden, der ebenfalls einem Kristall gleicht. Diese beiden Entdeckungen bestätigten sie in ihrer Idee weiter zu forschen, auch wenn die Welt der Wissenschaft in ihr nicht mehr sah als eine hoffnungslose Träumerin. Trotz den ausgezeichneten Arbeitsbedingungen, unter denen Ada Yonath ihre Tätigkeit zwischen Rechovot, Hamburg und Berlin ausüben konnte, brauchte es zehn lange Jahre, bevor sie die ersten Ergebnisse vorlegen konnte.

Aufgrund der Tragweite dieser Entdeckung drängte es sich in unseren Augen auf, an dieser Stelle von der technischen Geschichte der Forschungsarbeiten von Professor Yonath und ihres Teams zu berichten. Wir danken Dr. Heike Bartels aus Hamburg dafür, dass sie sich bereit erklärte, die wesentlichen Aspekte dieser Arbeit zusammenzufassen.

Prof. Ada Yonath gelang es, die detaillierten Wechselwirkungen von Antibiotika an Ribosomen in der bakteriellen Zelle auf molekularem Niveau detailgenau darzustellen. Als Basis für die Antibiotika-Forschung dienten die im Jahre 2000 und 2001 analysierten Strukturen der kleinen und großen Untereinheit des bakteriellen Ribosoms, eines der spektakulärsten und lang herbeigesehnten Forschungsergebnisse der letzten Jahre und zugleich die Krönung des Forscherlebens von Prof. Yonath. Was zu Beginn niemand für möglich gehalten hatte, stellte sich ein Vierteljahrhundert später als die kompliziertesten bis dahin gelösten Molekülstrukturen vor.

Ribosomen sind universelle Zellorganellen, die den genetischen Code in lebensnotwendige Proteine umsetzen. Das Ribosom besteht aus zwei verschiedenen Untereinheiten, die jeweils unterschiedliche Funktionen im Rahmen der Protein-Biosynthese erfüllen. Die kleine Untereinheit (30S in Prokaryonten, bestehend aus der 16S RNA und 20 ribosomalen Proteinen) ist für die Übersetzung des genetischen Codes, dessen Blaupause auf der mRNA abgelegt ist, verantwortlich. Die große Untereinheit (50S in Prokaryonten, bestehend aus 5S RNA, 23S rRNA und 33 ribosomalen Proteinen) fügt die einzelnen Aminosäuren zu einer langen Peptid-Kette entsprechend des Bauplanes zusammen.

Aufgrund der zentralen Rolle des Ribosoms in der Protein-Biosynthese, ist das Ribosom zugleich das primäre Target einer Vielzahl verschiedener Antibiotika. Heutzutage wird der Großteil der Antibiotika allerdings nicht zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionen, sondern in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt. So kommt es in immer größerem Rahmen zu Antibiotika-Resistenzen, während die Neuentwicklung von Medikamenten dem kaum Stand halten kann. Mit der Strukturaufklärung bakterieller Ribosomen bzw. deren zwei Untereinheiten und Komplexen mit Antibiotika ist der Forschung nun ein Mittel in die Hand gegeben, die vielfältigen Wechselwirkungen zu verstehen und ein gezieltes, kostengünstiges, deutlich beschleunigtes und vereinfachtes Medikamentendesign voran zu treiben.

Bis dahin war allerdings ein dornenreicher Weg zurück zu legen. Die Proteinkristallographie begann gerade ihren Kinderschuhen zu entwachsen, als Prof. Yonath das Ribosom in Angriff nahm. Bei dieser Methode wird das zu untersuchende Material zunächst kristallisiert und die gewonnenen Kristalle dann hochintensiver Röntgenstrahlung ausgesetzt. Anhand der Beugungsreflexe und mathematischer Verfahren kann schließlich auf die dreidimensionale Struktur zurückgeschlossen werden. Die Beobachtungen, dass sich Ribosomen von Eidechsen im Winter während der Kältestarre geordnet an den Zellwänden stapeln, brachte Prof. Yonath auf die Idee, dass selbst Ribosomen, diese höchst instabilen, riesigen, Proteinkomplexe, zu kristallisieren seien.

Die Zusammenarbeit mit Prof. H.G. Wittmann vom Max-Planck Institut für Molekulare Genetik in Berlin gipfelte 1980 in der Veröffentlichung der ersten kristallisierten Untereinheit eines bakteriellen Ribosoms. Viele Forscher hatten sich bereits daran versucht, meist mit dem „Versuchskaninchen" der Biologen, dem Bakterium Escherichia coli, und waren gescheitert. Prof. Yonaths Trick war, Bakterien aus extrem thermophilen oder halophilen Arten zu benutzen, da diese sozusagen Stress gewohnt sind und der Erfolg gab ihr Recht. Die ersten Kristalle entstanden aus Ribosomen der wärmeliebenden Bakterien Bacillus stearothermophilus und Thermus thermophilus, sowie später des extrem halophilen Bakteriums Haloarcula marismortui, welches am Toten Meer vorkommt. Heute wird in zunehmenden Maße die große ribosomale Untereinheit von Deinococcus radiodurans, einem extrem strahlenresistenten Bazillus, für strukturelle Untersuchungen herangezogen.

Der erste Kristallisationserfolg resultierte jedoch in einer Enttäuschung, was die nachfolgende Bestrahlung anging. Die Kristalle reagierten extrem sensitiv auf harte Röntgenstrahlung und verbrannten schon nach Sekunden im Röntgenstrahl. Damit trat eine neue Herausforderung auf, der es sich zu stellen galt und die mit der Methode der Cryo-Kristallographie 1989 überwunden wurde. Prof. Yonath agierte wiederum als Pionier, und in Zusammenarbeit mit Prof. Hakon Hope von der University of California, Davis, und Dr. Felix Frolow vom Weizmann Institute wurden die Kristalle vor der Bestrahlung in sogenannte Kryo-Lösungen eingelegt und danach in speziellen Probenhaltern bei -180Grad Celsius schockgefroren. Eine eigens entwickelte Kühlanlage hielt die Kristalle auch während der Bestrahlung bei Tieftemperatur; eine Methode, die heutzutage allgemein üblich in der Datennahme von Proteinkristallen ist.

Parallel dazu wurden zweidimensionale Dünnschnitte von Ribosomkristallen unter dem Elektronenmikroskop unter verschiedenen Neigungswinkeln untersucht und es konnte 1989 die Entdeckung des Tunnels in der großen ribosomalen Untereinheit proklamiert werden. Damals vermutet, kann heute aufgrund der Struktur und dem Bindemodus der Antibiotika und ribosomaler Komponenten nachgewiesen werden, dass der Tunnel den Pfad der sich bildenden Proteinkette beschreibt, bevor es das Ribosom verlässt.

Die nachfolgenden Jahre waren geprägt von der Untersuchung vieler tausend Kristalle und resultierten in Optimierungen in der Bakterienanzucht, Aufbereitung, Kristallisation und Methoden zur Derivatisierung. Neben der Entwicklung und Anwendung neuer Programme zur Datenverarbeitung wurden auch die Kühllösungen, der Schockgefriervorgang sowie die Art von Transport und Lagerung von bereits gefrorenen Kristallen im "feed-back"-Verfahren variiert.

1991 konnte in einer Messzeit am Synchrotron CHESS (Cornell High Energy Synchrotron Source)/Cornell Universität/NY/USA erstmals eine Auflösung von 3A für Kristalle der großen ribosomalen Untereinheit von Harloarcula marismortui verbucht werden. Damit war der Bereich der molekularen Auflösung erreicht, ein neuer Meilenstein in der Ribosomenkristallographie.

Die ersten Elektronendichtekarten mittlerer Auflösung lagen 1995 von der kleinen ribosomalen Untereinheit von Thermus thermophilus und der großen Untereinheit von Haloarcula marismortui vor. Allen Anstrengungen trotzend gelang es mit dem Bakterium Bacillus stearothermophilus, dass die ersten ribosomalen Kristalle gegeben hatte, nicht, in die höheren Auflösungsregionen vorzudringen.

Die Synchrotrons der vierten Generation, die an Intensität und Fokussierbarkeit die der Vorgänger um ein Vielfaches übertrafen, brachten schließlich den Durchbruch in der Auflösung der Ribosomenkristalle. Messungen und Datenauswertung am ESRF (Europaen Synchrotron Radiation Facility) /Grenoble/Frankreich und APS (Argonne Photon Source)/Chicago/IL/USA resultierten in Elektronendichtekarten, in der die ribosomale RNA und auch die Proteine identifiziert und modelliert werden konnten.

Das Ziel war erreicht. Im Jahr 2000 konnte zunächst die Struktur der kleinen ribosomalen Untereinheit von Thermus thermophilus publiziert werden. Darauf basierend konnten die Arbeitsgruppen Komplexe der kleinen 30S Untereinheit mit dem Initiationsfaktor IF3 sowie zwei Antibiotika, Tetracyclin und Edeine, aufklären.

Der Initiationsfaktor IF3 bindet zu Beginn der Protein-Biosynthese an die 30S Untereinheit, bevor sich diese zusammen mit der großen Untereinheit, der mRNA, der Initiator-tRNA und weiteren Faktoren zu dem vollständigen 70S Ribosom zusammenfügt. IF3 obliegt, eine vorzeitige Bindung der beiden Untereinheiten zu verhindern und die Kontrolle, dass die mRNA mit dem korrekten Codon eingebaut wird. Die Kristallstrukturanalyse dieses Komplexes konnte einige Funktionen von IF3 auf struktureller Ebene verständlich machen.

Die Struktur des 30S-Tetracyclin-Komplexes wies eine primäre Bindestelle für das Antibiotikum am ribosomalen Partikel auf, die mit der von tRNA übereinstimmt. Wenn also Tetracyclin am bakteriellen Ribosom gebunden ist, kann keine weitere Protein-Biosynthese stattfinden, das Bakterium stirbt ab.

Edeine bindet nicht nur an bakterielle, sondern an Ribosomen jeder Zelle unabhängig ihres phylogenetischen Ursprungs. Es konnte nachgewiesen werden, dass Edeine in einer universell konservierten Region bindet, die durch dynamische Konformationsänderungen direkt an der Initiation beteiligt ist und diese Dynamik blockiert.
Nur ein Jahr später, 2001, konnte die Struktur der großen ribosomalen Untereinheit von Deinococcus radiodurans allein und im Komplex mit klinisch relevanten Antibiotika wie Clindamycin, Chloramphenicol und Erythromycin analysiert werden.

Chloramphenicol ist als Breitbandantibiotikum bekannt, während Clindamycin unter anderem zur Behandlung von Pneumocystis induzierter Lungenentzündung von AIDS-Patienten Verwendung findet. Die Komplex-Strukturen der beiden Antibiotika mit der 50S ribosomalen Untereinheit bestätigt, daß die Protein-Biosynthese durch "molekulare Mimikry" unterbrochen wird: Die Antibiotika besetzen Bereiche, die denen von zelleigenen Aminosäuren ähneln und werden derart an das Ribosom gebunden. Da sie aber keine Peptidbindung eingehen können, kommt die Peptidyltransferase-Reaktion zum Stillstand.

Erythromycin gehört in die Gruppe der Makrolid-Antibiotika, die für eine Vielzahl von bakteriellen Infektionen eingesetzt werden. Strukturelle Untersuchungen zeigen, dass diese Klasse der Antibiotika den Tunnel der 50S Untereinheit blockiert, durch den alle Proteine hindurch gefädelt werden. Dies führt zu dem vorzeitigen Abbruch der Protein-Biosynthese.
Für die Zukunft plant Prof. Yonath, die Dynamik der Protein-Biosynthese am Ribosom samt ihren vielfältigen Konfirmationsänderungen zu entschlüsseln. Es liegen bereits Komplexe mit Substratanalogen vor, die auf die mögliche Funktion der Ribosomenmaschinerie hinweisen.

Das Geheimnis des Ribosoms
Von Roland S. Süssmann
In den letzten Jahren galten die grossen Presseschlagzeilen in Bezug auf die Forschung vor allem den Fortschritten im Bereich der Telekommunikation im Allgemeinen und des Internets im Besonderen. Während dieser Zeit haben aber die wissenschaftlichen Forscher in anderen Bereichen auch nicht geschlafen, ganz sicher nicht in Israel. So ist es Professor ADA YONATH vom Weizmann Institut gelungen, einen Aufsehen erregenden Durchbruch bei der Entdeckung der Funktionsweise von Ribosomen durch die Kristallisierung dieser «Proteinenfabrik» zu erzielen. Bevor wir aber zu verstehen versuchen, wie uns diese Entdeckung, deren unmittelbare Anwendungen sowohl im Bereich der Prävention, der medizinischen Behandlung und der Landwirtschaft noch nicht alle definiert werden konnten, direkt zugute kommen wird, drängt sich eine grundlegende Erläuterung auf. Das Ribosom ist der komplizierteste Bestandteil, der in allen lebenden Zellen vorkommt; es ist für die Umsetzungsphase der Protein-Biosynthese zuständig. Es handelt sich um hybride Zellorganellen, die zu 1/3 aus Proteinen und zu 2/3 aus RNS (Ribonukleinsäure) bestehen. Diese eigentliche «Proteinfabrik» ist ein gewaltiger Komplex, der bei einer Bakterie über 50 Proteine und fast 5000 Nukleotide umfasst. Von dieser für das Leben der Zelle wesentlichen Partikel sind 15'000 Exemplare in einer Bakterie vorhanden, sie machen einen Viertel ihres Gewichts aus. Das Ribosom, das aus zahlreichen Molekülen besteht, erscheint winzig im Vergleich zu unseren alltäglichen Masseinheiten, ist jedoch riesig gegenüber den anderen Elementen in einer Zelle. Es ist mit einer fast unermesslichen Geschwindigkeit in wesentlichem Ausmass für das Leben tätig: für die genaue Synthese der Proteine, welche die Strukturen des Körpers bilden, wie beispielsweise Muskeln oder Kollagen, und die chemischen Reaktionen katalysieren. Ribosomen sind demnach überall in der Natur vorhanden und scheinen sich bei den diversen Spezies nicht voneinander zu unterscheiden. Die Tätigkeit des Ribosoms wirkt sich nicht nur direkt auf die Körperfunktionen aus, sondern kann auch unser Verhalten beeinflussen. Die von Professor Yonath geleiteten Forschungsarbeiten wurden vor ihr von ca. fünfzehn Nobelpreisträgern in Angriff genommen, die alle an der Aufgabe scheiterten. Es gibt weltweit drei bedeutende Ribosomenforschungszentren in Moskau, Berlin und Strassburg. Als Professor Yonath bekannt gab, sie wolle nun ihrerseits herausfinden, wie diese «Fabrik» funktioniere, die alle anderen Proteine des Körpers produziert, entlockte dies ihren Kollegen überall auf der Welt ein amüsiertes Lächeln. Als diese aber begriffen, dass Ada Yonath sich nicht nur auf dem richtigen Weg befand, sondern auch für einen Nobelpreis zur Diskussion stand, sprangen ihre Kritiker auf den fahrenden Zug, begannen ihre Methoden abzukupfern und versuchten sie noch auf der Ziellinie zu schlagen. Während über zwanzig Jahren hat sich Professor Ada Yonath also bei ihrer Forschung auf eine der wichtigsten und komplexesten Fragen der Molekularbiologie konzentriert, die man kaum in einem kurzen, verallgemeinernden Artikel zusammenfassen kann. Bei einem Gespräch sagte uns Professor Yonath insbesondere: «Wenn man die Funktionsweise der Ribosomen verstehen möchte, muss man zunächst ihre Struktur erkennen und begreifen. In der Biologie bestimmt die Struktur die Funktionsweise. Es gibt aber weltweit kein Mikroskop, mit dem man die Details wahrnehmen kann, welche die Kontrolle über diese Funktionsweise erklären können. Es musste uns folglich gelingen, diese Einheit von Molekülen zu kristallisieren, aus denen die Grundstruktur des Ribosoms besteht.» Die langen und schwierigen Jahre, in denen sich Professor Yonath ihrer Forschung widmete, sind mit zahlreichen Anekdoten verknüpft. Eine von ihnen ist es ganz besonders wert, kurz erzählt zu werden. Am Ende eines wissenschaftlichen Kongresses, der gegen Ende der 70er Jahre in den Rocky Mountains von Kanada stattfand, wurde Professor Yonath eingeladen, an einer Exkursion zu den natürlichen warmen Quellen der Region teilzunehmen. In der Gruppe der Teilnehmer befand sich auch der deutsche Wissenschaftler Heinz Günter Wittmann, der Direktor des berühmten Max Planck Instituts für molekulare Genetik in Berlin. Diese Koryphäe auf seinem Gebiet freundete sich nicht nur mit Ada Yonath an, sondern bot ihr auch an, zwei Monate mit ihr zusammen zu arbeiten. Das Labor beschäftigte zu jenem Zeitpunkt 120 Forscher, und Ada Yonath entdeckte, dass die Tiefkühlvorrichtungen im Institut von Dr. Wittmann überquollen von reinen Ribosomen, was für die Forschung auf diesem Gebiet eine wahre Goldgrube darstellte. Die Ribosomen waren als «Abfall» aus einer anderen Reihe von wissenschaftlichen Versuchen übrig geblieben. Die Zusammenarbeit, die sich in der Folge zwischen den beiden Wissenschaftlern entwickelte, verwandelte sich sehr bald in eine äusserst enge Arbeitsbeziehung. Seit diesem Zeitpunkt verbrachte die israelische Wissenschaftlerin während fast 20 Jahren knapp die Hälfte ihrer Arbeitszeit in Deutschland. Während zehn Jahren leitete sie Forschungsarbeiten zu den Ribosomen, die im Teilchenbeschleuniger DESY in Hamburg stattfanden. Nach dem Tod von Dr. Wittmann 1989 arbeitete Ada Yonath mit Professor François Franceschi im Max Planck Institut von Berlin zusammen. Zu jener Zeit wurde in zahlreichen wissenschaftlichen Publikationen felsenfest behauptet, Ribosomen könnten keinesfalls kristallisiert werden, da sie instabil seien und sich sofort auflösen würden, wenn sie aus dem lebenden Organismus herausgelöst würden. Ada Yonath ging ganz anders an das Problem heran und stellte sich zunächst eine einfache Frage: «Eisbären machen einen Winterschlaf, und die Ribosomen müssten sich demnach logischerweise rasch auflösen, da ja jede Lebensfunktion unterbrochen wird. Doch unmittelbar nach ihrem Erwachen produzieren diese Bären wieder Proteine. Wie ist dies möglich, wenn die Ribosomen den Winter nicht überleben?». Sie fand eine Studie, in der bewiesen wurde, dass in den Überwinterungszellen der Bären die Ribosomen wie Kristalle nebeneinander aufgereiht wurden. Sie stellte ebenfalls fest, dass die Ribosomen sich unter starkem Druck vereinen und im Innern der Zelle einen Block bilden, der ebenfalls einem Kristall gleicht. Diese beiden Entdeckungen bestätigten sie in ihrer Idee weiter zu forschen, auch wenn die Welt der Wissenschaft in ihr nicht mehr sah als eine hoffnungslose Träumerin. Trotz den ausgezeichneten Arbeitsbedingungen, unter denen Ada Yonath ihre Tätigkeit zwischen Rechovot, Hamburg und Berlin ausüben konnte, brauchte es zehn lange Jahre, bevor sie die ersten Ergebnisse vorlegen konnte. Aufgrund der Tragweite dieser Entdeckung drängte es sich in unseren Augen auf, an dieser Stelle von der technischen Geschichte der Forschungsarbeiten von Professor Yonath und ihres Teams zu berichten. Wir danken Dr. Heike Bartels aus Hamburg dafür, dass sie sich bereit erklärte, die wesentlichen Aspekte dieser Arbeit zusammenzufassen. Prof. Ada Yonath gelang es, die detaillierten Wechselwirkungen von Antibiotika an Ribosomen in der bakteriellen Zelle auf molekularem Niveau detailgenau darzustellen. Als Basis für die Antibiotika-Forschung dienten die im Jahre 2000 und 2001 analysierten Strukturen der kleinen und großen Untereinheit des bakteriellen Ribosoms, eines der spektakulärsten und lang herbeigesehnten Forschungsergebnisse der letzten Jahre und zugleich die Krönung des Forscherlebens von Prof. Yonath. Was zu Beginn niemand für möglich gehalten hatte, stellte sich ein Vierteljahrhundert später als die kompliziertesten bis dahin gelösten Molekülstrukturen vor. Ribosomen sind universelle Zellorganellen, die den genetischen Code in lebensnotwendige Proteine umsetzen. Das Ribosom besteht aus zwei verschiedenen Untereinheiten, die jeweils unterschiedliche Funktionen im Rahmen der Protein-Biosynthese erfüllen. Die kleine Untereinheit (30S in Prokaryonten, bestehend aus der 16S RNA und 20 ribosomalen Proteinen) ist für die Übersetzung des genetischen Codes, dessen Blaupause auf der mRNA abgelegt ist, verantwortlich. Die große Untereinheit (50S in Prokaryonten, bestehend aus 5S RNA, 23S rRNA und 33 ribosomalen Proteinen) fügt die einzelnen Aminosäuren zu einer langen Peptid-Kette entsprechend des Bauplanes zusammen. Aufgrund der zentralen Rolle des Ribosoms in der Protein-Biosynthese, ist das Ribosom zugleich das primäre Target einer Vielzahl verschiedener Antibiotika. Heutzutage wird der Großteil der Antibiotika allerdings nicht zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionen, sondern in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt. So kommt es in immer größerem Rahmen zu Antibiotika-Resistenzen, während die Neuentwicklung von Medikamenten dem kaum Stand halten kann. Mit der Strukturaufklärung bakterieller Ribosomen bzw. deren zwei Untereinheiten und Komplexen mit Antibiotika ist der Forschung nun ein Mittel in die Hand gegeben, die vielfältigen Wechselwirkungen zu verstehen und ein gezieltes, kostengünstiges, deutlich beschleunigtes und vereinfachtes Medikamentendesign voran zu treiben. Bis dahin war allerdings ein dornenreicher Weg zurück zu legen. Die Proteinkristallographie begann gerade ihren Kinderschuhen zu entwachsen, als Prof. Yonath das Ribosom in Angriff nahm. Bei dieser Methode wird das zu untersuchende Material zunächst kristallisiert und die gewonnenen Kristalle dann hochintensiver Röntgenstrahlung ausgesetzt. Anhand der Beugungsreflexe und mathematischer Verfahren kann schließlich auf die dreidimensionale Struktur zurückgeschlossen werden. Die Beobachtungen, dass sich Ribosomen von Eidechsen im Winter während der Kältestarre geordnet an den Zellwänden stapeln, brachte Prof. Yonath auf die Idee, dass selbst Ribosomen, diese höchst instabilen, riesigen, Proteinkomplexe, zu kristallisieren seien. Die Zusammenarbeit mit Prof. H.G. Wittmann vom Max-Planck Institut für Molekulare Genetik in Berlin gipfelte 1980 in der Veröffentlichung der ersten kristallisierten Untereinheit eines bakteriellen Ribosoms. Viele Forscher hatten sich bereits daran versucht, meist mit dem „Versuchskaninchen" der Biologen, dem Bakterium Escherichia coli, und waren gescheitert. Prof. Yonaths Trick war, Bakterien aus extrem thermophilen oder halophilen Arten zu benutzen, da diese sozusagen Stress gewohnt sind und der Erfolg gab ihr Recht. Die ersten Kristalle entstanden aus Ribosomen der wärmeliebenden Bakterien Bacillus stearothermophilus und Thermus thermophilus, sowie später des extrem halophilen Bakteriums Haloarcula marismortui, welches am Toten Meer vorkommt. Heute wird in zunehmenden Maße die große ribosomale Untereinheit von Deinococcus radiodurans, einem extrem strahlenresistenten Bazillus, für strukturelle Untersuchungen herangezogen. Der erste Kristallisationserfolg resultierte jedoch in einer Enttäuschung, was die nachfolgende Bestrahlung anging. Die Kristalle reagierten extrem sensitiv auf harte Röntgenstrahlung und verbrannten schon nach Sekunden im Röntgenstrahl. Damit trat eine neue Herausforderung auf, der es sich zu stellen galt und die mit der Methode der Cryo-Kristallographie 1989 überwunden wurde. Prof. Yonath agierte wiederum als Pionier, und in Zusammenarbeit mit Prof. Hakon Hope von der University of California, Davis, und Dr. Felix Frolow vom Weizmann Institute wurden die Kristalle vor der Bestrahlung in sogenannte Kryo-Lösungen eingelegt und danach in speziellen Probenhaltern bei -180Grad Celsius schockgefroren. Eine eigens entwickelte Kühlanlage hielt die Kristalle auch während der Bestrahlung bei Tieftemperatur; eine Methode, die heutzutage allgemein üblich in der Datennahme von Proteinkristallen ist. Parallel dazu wurden zweidimensionale Dünnschnitte von Ribosomkristallen unter dem Elektronenmikroskop unter verschiedenen Neigungswinkeln untersucht und es konnte 1989 die Entdeckung des Tunnels in der großen ribosomalen Untereinheit proklamiert werden. Damals vermutet, kann heute aufgrund der Struktur und dem Bindemodus der Antibiotika und ribosomaler Komponenten nachgewiesen werden, dass der Tunnel den Pfad der sich bildenden Proteinkette beschreibt, bevor es das Ribosom verlässt. Die nachfolgenden Jahre waren geprägt von der Untersuchung vieler tausend Kristalle und resultierten in Optimierungen in der Bakterienanzucht, Aufbereitung, Kristallisation und Methoden zur Derivatisierung. Neben der Entwicklung und Anwendung neuer Programme zur Datenverarbeitung wurden auch die Kühllösungen, der Schockgefriervorgang sowie die Art von Transport und Lagerung von bereits gefrorenen Kristallen im "feed-back"-Verfahren variiert. 1991 konnte in einer Messzeit am Synchrotron CHESS (Cornell High Energy Synchrotron Source)/Cornell Universität/NY/USA erstmals eine Auflösung von 3A für Kristalle der großen ribosomalen Untereinheit von Harloarcula marismortui verbucht werden. Damit war der Bereich der molekularen Auflösung erreicht, ein neuer Meilenstein in der Ribosomenkristallographie. Die ersten Elektronendichtekarten mittlerer Auflösung lagen 1995 von der kleinen ribosomalen Untereinheit von Thermus thermophilus und der großen Untereinheit von Haloarcula marismortui vor. Allen Anstrengungen trotzend gelang es mit dem Bakterium Bacillus stearothermophilus, dass die ersten ribosomalen Kristalle gegeben hatte, nicht, in die höheren Auflösungsregionen vorzudringen. Die Synchrotrons der vierten Generation, die an Intensität und Fokussierbarkeit die der Vorgänger um ein Vielfaches übertrafen, brachten schließlich den Durchbruch in der Auflösung der Ribosomenkristalle. Messungen und Datenauswertung am ESRF (Europaen Synchrotron Radiation Facility) /Grenoble/Frankreich und APS (Argonne Photon Source)/Chicago/IL/USA resultierten in Elektronendichtekarten, in der die ribosomale RNA und auch die Proteine identifiziert und modelliert werden konnten. Das Ziel war erreicht. Im Jahr 2000 konnte zunächst die Struktur der kleinen ribosomalen Untereinheit von Thermus thermophilus publiziert werden. Darauf basierend konnten die Arbeitsgruppen Komplexe der kleinen 30S Untereinheit mit dem Initiationsfaktor IF3 sowie zwei Antibiotika, Tetracyclin und Edeine, aufklären. Der Initiationsfaktor IF3 bindet zu Beginn der Protein-Biosynthese an die 30S Untereinheit, bevor sich diese zusammen mit der großen Untereinheit, der mRNA, der Initiator-tRNA und weiteren Faktoren zu dem vollständigen 70S Ribosom zusammenfügt. IF3 obliegt, eine vorzeitige Bindung der beiden Untereinheiten zu verhindern und die Kontrolle, dass die mRNA mit dem korrekten Codon eingebaut wird. Die Kristallstrukturanalyse dieses Komplexes konnte einige Funktionen von IF3 auf struktureller Ebene verständlich machen. Die Struktur des 30S-Tetracyclin-Komplexes wies eine primäre Bindestelle für das Antibiotikum am ribosomalen Partikel auf, die mit der von tRNA übereinstimmt. Wenn also Tetracyclin am bakteriellen Ribosom gebunden ist, kann keine weitere Protein-Biosynthese stattfinden, das Bakterium stirbt ab. Edeine bindet nicht nur an bakterielle, sondern an Ribosomen jeder Zelle unabhängig ihres phylogenetischen Ursprungs. Es konnte nachgewiesen werden, dass Edeine in einer universell konservierten Region bindet, die durch dynamische Konformationsänderungen direkt an der Initiation beteiligt ist und diese Dynamik blockiert. Nur ein Jahr später, 2001, konnte die Struktur der großen ribosomalen Untereinheit von Deinococcus radiodurans allein und im Komplex mit klinisch relevanten Antibiotika wie Clindamycin, Chloramphenicol und Erythromycin analysiert werden. Chloramphenicol ist als Breitbandantibiotikum bekannt, während Clindamycin unter anderem zur Behandlung von Pneumocystis induzierter Lungenentzündung von AIDS-Patienten Verwendung findet. Die Komplex-Strukturen der beiden Antibiotika mit der 50S ribosomalen Untereinheit bestätigt, daß die Protein-Biosynthese durch "molekulare Mimikry" unterbrochen wird: Die Antibiotika besetzen Bereiche, die denen von zelleigenen Aminosäuren ähneln und werden derart an das Ribosom gebunden. Da sie aber keine Peptidbindung eingehen können, kommt die Peptidyltransferase-Reaktion zum Stillstand. Erythromycin gehört in die Gruppe der Makrolid-Antibiotika, die für eine Vielzahl von bakteriellen Infektionen eingesetzt werden. Strukturelle Untersuchungen zeigen, dass diese Klasse der Antibiotika den Tunnel der 50S Untereinheit blockiert, durch den alle Proteine hindurch gefädelt werden. Dies führt zu dem vorzeitigen Abbruch der Protein-Biosynthese. Für die Zukunft plant Prof. Yonath, die Dynamik der Protein-Biosynthese am Ribosom samt ihren vielfältigen Konfirmationsänderungen zu entschlüsseln. Es liegen bereits Komplexe mit Substratanalogen vor, die auf die mögliche Funktion der Ribosomenmaschinerie hinweisen.