Blickpunkt

Die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR, auch electron paramagnetic resonance, EPR) steht ein wenig im Schatten ihres großen Bruders Kernspinresonanz-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance, NMR). Beide Verfahren nutzen auf analoge Weise den Spin von Elektronen bzw. Atomkernen. Doch nahezu jedes biologisch relevante Molekül enthält NMR-taugliche Kerne (etwa 1H), während man Moleküle mit dem für ESR erforderlichen ungepaarten Elektron (also Radikale) nur selten findet.
Die Strukturbiologie verwendet deshalb Spinlabel, um ungepaarte Elektronen in das zu untersuchende Biomolekül einzubauen, und so die ESR als zusätzliche, zu NMR komplementäre Analysemethode zu nutzen. In anderen Bereichen, etwa bei der Suche nach dem Kompass der Zugvögel, scheinen Radikale durchaus eine Rolle zu spielen, die man nur bisher nicht entdeckt hatte.


<h2>Maßband für größere Abstände</h2>
Nachdem nun schon hochaufgelöste Strukturen von mehr als 60 000 Proteinen vorliegen, sind die aus zahlreichen Proteinmolekülen zusammengesetzten Komplexe die größte Herausforderung für die Strukturbiologie. Diese Komplexe sind oft nicht kristallisierbar und für die NMR-Strukturanalyse zu groß.
Es ist unmöglich, die Struktur ausschließlich aufgrund von ESR-Messungen zu analysieren, da für jeden einzelnen Atomabstand eine Molekülvariante mit den entsprechenden Spinlabels nötig wäre. Doch bei Komplexen, deren Bestandteile schon per NMR oder Röntgenkristallographie charakterisiert sind, können Abstandsmessungen mit ESR Auskunft darüber geben, wie sich die Teile zum Gesamtkomplex zusammenfügen. Da trifft es sich gut, dass sich die beiden Methoden ergänzen: NMR-Spektren erfassen Abstände im Bereich von 0,1 bis 0,7 nm, die ESR misst Abstände bis zu 9 nm.
Die Arbeitsgruppe des ESR-Experten Jack Freed in Cornell hat zum Beispiel, in Zusammenarbeit mit dem Strukturbiologen Brian Crane an derselben Universität, mit ESR die molekulare Maschine untersucht, welche die Bewegung des bakteriellen Motors bei der Chemotaxis (also der von chemischen Reizen ausgelösten Schwimmbewegung) reguliert. Crane hatte bereits seit Jahren die Einzelkomponenten dieses Komplexes anhand des Bakteriums Thermotoga maritima untersucht — es handelt sich um eine extrem thermophile (hitzeliebende) Art, die Karl-Otto Stetter in den 1980er Jahren an der Universität Regensburg entdeckte. Für Kristallographen haben solche Modellsysteme den Vorteil, dass Proteine, die darauf optimiert sind, bei 85 ?C zu funktionieren, bei normalen Labortemperaturen extrem stabil sind und gleichsam in Kältestarre verfallen.
Cranes Arbeitsgruppe hatte Kristallstrukturen der Einzelkomponenten erstellt, konnte aber nicht den kompletten regulatorischen Apparat kristallisieren, und wandte sich deshalb an Freed. Durch zwölf ESR-Abstandsmessungen an einem Komplex, der nur vier der sechs Komponenten enthielt, erstellten die Forscher ein vorläufiges Strukturmodell.1 Die beiden fehlenden Teile — lange, überwiegend helikale Proteine — fügten sie in einem hypothetischen Modell hinzu. Weitere Abstandsmessungen mit allen sechs Komponenten ergaben dann aber, dass dieses Modell falsch war: In der verbesserten Version ragen die langen Beine nun in die korrekte Richtung hinaus.2


<h2>Faltung in der Membran</h2>
Die auf ESR spezialisierte Arbeitsgruppe von Gunnar Jeschke an der ETH Zürich befasst sich ebenfalls mit Abstandsmessungen in komplizierten biologischen Zusammenhängen. Zusammen mit der Gruppe von Harald Paulsen an der Universität Mainz hat Jeschke untersucht, wie das Lichtsammelprotein LHC II (Light Harvesting Complex II) in der Thylakoidmembran der Chloroplasten eine gefaltete Konformation annimmt. Während die Faltung kleiner Proteine in Lösung bereits recht umfassend untersucht ist, weiß man nur wenig darüber, wie sich hochkomplizierte Membranrezeptoren falten und in die Membran einlagern.
Durch Abstandsmessungen an zwei Paaren von Spinlabels zu verschiedenen Zeitpunkten des Faltungsprozesses wiesen Jeschke und Kollegen nach, dass die Faltung des LHC II in der Membran in (mindestens) zwei Phasen verläuft. Eine der quer durch die Membran verlaufenden Helices der Struktur war bereits nach einer Minute nachweisbar, während die übrigen Helices erst nach fünf Minuten die korrekte Anordnung erreichten.3 
In einer weiteren Studie zeigten die Forscher, wie das Protein im Laufe der Einlagerung in die wasserabweisende Membran den Kontakt mit dem Lösungsmittel verliert. Für diese Untersuchung verwendeten sie schweres Wasser (Deuteriumoxid, D2O), das die ESR-Signale auf charakteristische Weise verändert, wenn es sich in der Nähe eines Spinlabels befindet. So konnten die Forscher untersuchen, wie schnell sich die spinmarkierten Bereiche des LHC II aus der wässrigen Lösung verabschiedeten und in die Membran einlagerten.4 Das Ergebnis stimmt gut mit der Zweiphasen-Kinetik aus den Abstandsmessungen überein.


<h2>Das Geheimnis des Vogelflugs</h2>
Während ESR-Spezialisten wie Freed und Jeschke darauf bauen, dass Biologen mit ESR-tauglichen Problemen bei ihnen anklopfen, hat die Universität Oxford vor einigen Jahren ein ESR-Zentrum eingerichtet, bei dem die interdisziplinäre Anwendung der Methoden von vornherein eingeplant war. Das Centre for Advanced ESR (CAESR) ging im Jahr 2006 an den Start und hatte von Anfang an ein vielfältiges Forschungsprogramm, das von Quantencomputern bis zu Membranproteinen reicht und fünf Fakultäten einbindet.
Das vielleicht ungewöhnlichste Projekt des Zentrums versucht, dem Kompass der Zugvögel auf die Schliche zu kommen. Dass Vögel sich am Magnetfeld der Erde orientieren können, ist aus Verhaltensstudien bereits seit über 40 Jahren bekannt. Wie sie es anstellen, ist hingegen noch völlig offen. Zwei fundamentale Probleme sind zu überwinden. Zum einen hat man bisher in Vögeln noch keine Kompassnadel gefunden (obwohl es in magnetotaktischen Bakterien durchaus Eisenmineralien gibt, die diesem Zweck dienen), und zum anderen ist das Erdmagnetfeld so schwach, dass jegliche Effekte auf biochemische Reaktionen im thermischen Rauschen verschwinden müssten.
Dennoch glauben Forscher wie der Oxforder Physikochemiker Peter Hore, dass der Vogelkompass auf einer chemischen Reaktion beruht, in der ein Radikal-Paar erzeugt wird. Die Hypothese lautet, dass lichtempfindliche Proteine in der Netzhaut der Vögel, die Kryptochrome, als Substrat einer Radikalreaktion dienen, deren Kinetik empfindlich von der Richtung des Magnetfelds abhängt.
Im Jahr 2008 stellte Hores Gruppe zusammen mit CAESR-Mitgründerin Christiane Timmel ein erstes chemisches Modellsystem für einen solchen chemischen Kompass her und charakterisierte es mit ESR-Messungen.5 Es zeigte sich, dass solche Biradikal-Systeme tatsächlich empfindlich genug sein können, um eine Orientierung im Magnetfeld der Erde zu ermöglichen. Dazu ist allerdings eine starre Verankerung nötig, etwa in einer Membran.
Anschließend zeigten die Oxforder Arbeitsgruppen, dass auch ein natürliches Protein, die bakterielle Photolyase, als Kompass geeignet ist. Photolyase nutzt Sonnenenergie zur DNA-Reparatur und ist ein entfernter Verwandter der Kryptochrome [siehe auch Chem. unserer Zeit, 2009, 42, 66]. Doch ob und wie genau diese den Vögeln den Weg zeigen, bleibt noch zu erforschen.
Der promovierte Biochemiker Michael Groß arbeitet als freier Wissenschaftsautor in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) gehört zu den physikalisch-chemischen Methoden, deren Nützlichkeit in der Welt der Biowissenschaften zu wenig bekannt ist.
Für die Strukturbiologie liefert sie Informationen zur Struktur großer Proteinkomplexe wie des Lichtsammelkompexes LHC II.
Interdisziplinäre Forschung trägt dazu bei, die ESR auf ein breiteres Spektrum von Problemen anzuwenden.



<ul>
<li>
1 

 
S. Y. Park, 
P. P. Borbat, 
G. Gonzalez-Bonet, 
J. Bhatnagar, 
A. M. Pollard, et al. 
<source>Nature Struct. Mol. Biol. 
2006, 
13, 
400.
</li>
<li>
2 

 
J. Bhatnagar, 
P.P. Borbat, 
A.M. Pollard, 
A.M. Bilwes, 
J.H. Freed, et al. 
<source>Biochem, 
2010, 
DOI: 10.1021/bi100055m.
</li>
<li>
3 

 
C. Dockter, 
A. Volkovb, 
C. Bauerb, 
Y. Polyhachc, 
Z. Joly-Lopezd, et al. 
<source>Proc. Natl. Acad. Sci. USA 
2009, 
106, 
18485.
</li>
<li>
4 

 
A. Volkov, 
C. Dockter, 
Y. Polyhach, 
H. Paulsen, 
G. Jeschke, 
<source>J. Phys. Chem. Lett. 
2010, 
1, 
663.
</li>
<li>
5 

 
K. Maeda, 
K. B. Henbest, 
F. Cintolesi, 
I. Kuprov, 
C.T. Rodgers, et al. 
<source>Nature 
2008, 
453, 
387.
</li>
</ul>

Artikel

ESR‐Spektroskopie: Was der Spin verrät

Die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR, auch electron paramagnetic resonance, EPR) steht ein wenig im Schatten ihres großen Bruders Kernspinresonanz-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance, NMR). Beide Verfahren nutzen auf analoge Weise den Spin von Elektronen bzw. Atomkernen. Doch nahez...

Das Zeichnen von Strukturen gehört zum Alltag in der Chemie: Eine Struktur ist zu speichern, sie ist für eine Publikation aufzubereiten, sie ist Startpunkt einer Suche in elektronischen Ressourcen oder Grundlage für Chemieanwendungen. Nutzer fordern dafür einfach zu bedienende Programme, Softwareentwickler möchten das Zeichnen als Teil einer Applikation zur Verfügung stellen. Programme für all dies sind in ihrer Mehrheit kostenpflichtig und oft nicht flexibel — so ist der Wunsch, ein gleichartiges Bedienkonzept in einer Website und in einer Applikation zu realisieren, nur schwer zu erfüllen.
Eine mögliche Lösung für solche Probleme ist JChemPaint, kurz JCP, eine freie Software zum Zeichnen von Strukturen. JCP erschien kürzlich in der Version 3.0. und darf gemäß den Bedingungen der GNU Lesser Public License (LGPL) weitergegeben werden.
Das Programm entstand in der Gruppe von Christoph Steinbeck, der jetzt am Europäischen Bioinformatics Institut in Cambridge arbeitet. Mittlerweile entwickelt die Gruppe das Programm mit externen Open-Source-Spezialisten weiter. Gestaltet ist es zusammen mit den Kuratoren des freien Lexikons zu molekularen Größen, der Chebi-Datenbank1), um die Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten.
JCP ist auf allen Plattformen lauffähig, einfach zu nutzen und deckt die üblichen Anwendungsfälle für chemisches Zeichnen ab (Abbildung 1). Es stellt alle gängigen chemischen Strukturen dar, speichert sie und bietet zudem:
<list list-type="order">
<list-item>
</list-item></list>Darstellen von Atomen mit Isotopen, Ladungen, Valenzen und freien Elektronen,

<list-item>
beliebige Atombezeichner für R-Gruppen und ähnliches,
</list-item>
<list-item>
Bindungen mit Bindungsordnungen und Stereodarstellungen,
</list-item>
<list-item>
einfaches Zeichnen komplexer Strukturen durch eine Vorlagenbibliothek,
</list-item>
<list-item>
Speichern und Laden von .mol-, .cml- und Smiles-Dateien sowie Export in diversen Grafikformaten,
</list-item>
<list-item>
Layout-Werkzeug für Strukturdarstellungen (Depiction),
</list-item>
<list-item>
Komfortmerkmale wie Undo und Redo, Freiform- und quadratische Auswahl, Copy und Paste,
</list-item>
<list-item>
Darstellung von Reaktionen (in der Entwicklungsversion 3.1.
</list-item>



<h2>Chemische Formate</h2>
Das Programm betont durchgängig die chemische Semantik. Konkret bedeutet dies, dass Anwender in JCP keine schmückenden Elemente zeichnen können, sondern chemische Eigenschaften setzen müssen, die dann bestimmte Repräsentationen auf dem Bildschirm nach sich ziehen. So werden etwa keine Textelemente platziert, sondern der Anwender ordnet einer Struktur einen Namen zu, den das Programm dann unter die Struktur zeichnet. Dies ermöglicht den Export in Formaten, die chemische Information enthalten können, etwa CML- oder mol-Dateien, und deren Interpretation in Computeranwendungen.


<h2>Im Webbrowser</h2>
JCP existiert nicht nur als selbstständige Anwendung, sondern auch als Java-Applet im Webbrowser. Dieses basiert auf dem gleichen Code, ist genauso zu bedienen und bietet den gleichen Funktionsumfang. Die Steuerung des Applets ist über Java Script möglich, so dass etwa die gezeichnete Struktur für Suchanfragen nutzbar ist.
Das Paket enthält sowohl ein Editor-Applet, mit dem der Nutzer die betrachteten Strukturen bearbeitet, als auch ein reines Viewer-Applet (Abbildung 2). Beide verwenden intern die gleichen Klassen. Das Applet steht ebenso wie die Applikation unter der LGPL und darf daher ohne Restriktionen in Webseiten eingebaut werden.


<h2>Eingebettet und flexibel</h2>
Ein weiteres Anwendungsszenario ist die Einbettung von JCP in eigene Applikationen. Dies gelingt, da die Komponenten von JCP von Komponenten des Java-GUI-Frameworks Swing abgeleitet sind. Auch hier ermöglicht die LGPL hohe Flexibilität.
Die Komponenten lassen sich zudem im Quellcode anpassen, ohne dass für die übergeordnete Applikation Lizenzzwänge bestehen. Ebenso nutzbar sind die Klassen in JCP, die das Rendering der Strukturen übernehmen, etwa um Bilder auf eigenen Komponenten direkt zu rendern oder von einem Server zu verschicken.
Die chemische Logik in JCP wird durch die ebenfalls unter LGPL stehende Bibliothek Chemistry Development Kit (CDK) geliefert, so dass auch hier Anpassungen möglich sind. Beispielsweise befindet sich zur Zeit eine Erweiterung für Open Office2) in der Entwicklung, die es erlaubt, Strukturen in Dokumenten zu zeichnen, zu speichern und zu laden.
Eine interne Besonderheit von JCP ist, dass die Klassen, die für das Rendering der Strukturen zuständig sind, weitgehend Widget-Toolkit-unabhängig sind. Sie sind also unabhängig von Klassenbibliotheken für grafische Benutzeroberflächen, im Java-Bereich etwa Swing, genutzt von JCP, oder das in der Entwicklungsumgebung Eclipse verwendete Standard Widget Toolkit (SWT). Dadurch ist der weitgehend identische Code ebenso für andere Widget-Sets als Swing nutzbar. So basiert der Editor in Bioclipse,3) einem Open-Source-Programm für die Lebenswissenschaften, auf dem gleichen Code (Abbildung 3). Ebenso könnte er für weitere Zwecke Anwendung finden, indem eine relativ dünne Schicht ersetzt wird. Dabei sind nicht nur Widget-Sets möglich, sondern auch andere Formate, die Zeichenoperationen zur Verfügung stellen, etwa Seitenbeschreibungssprachen wie Postscript. Softwareentwickler können dadurch eine Ausgabe auf neuen Formaten ermöglichen, ohne schwerfällige und fehleranfällige Konversionssoftware zu benutzen.
Insgesamt bietet JChemPaint die Vorteile einer Open-Source-Software für Nutzer und Entwickler, ohne dass auf einfache Bedienung und gute Benutzbarkeit verzichtet werden muss.
Der Informatiker Stefan Kuhn arbeitet als Software Engineer in der von Christoph Steinbeck geleiteten Gruppe ”Chemoinformatics and Metabolism“ am European Bioinformatics Institute, Hinxton. <a href="mailto:stefan.kuhn@ebi.ac.uk">stefan.kuhn@ebi.ac.uk</a>


<h2>— — — Kurz notiert</h2>


<h2>Ausschreibung des FIZ-Chemie-Berlin-Preises</h2>
Der FIZ-Chemie-Berlin-Preis wird für hervorragende Dissertationen und Diplom- oder Master-Arbeiten vergeben, die in den für die GDCh-Fachgruppe Chemie-Information-Computer (CIC) relevanten Wissenschaftsgebieten erstellt wurden und die eine besondere Leistung für die Weiterentwicklung der Chemoinformatik darstellen. Verliehen wird der Preis wieder bei der Conference on Chemoinformatics (CIC-Workshops) in Goslar.
Vorschläge können die Betreuer mit kurzer Begründung bis zum 31. Juli eines jeden Jahres bei der Geschäftsstelle der GDCh einreichen, wenn die Dissertation bzw. Diplomarbeit mit sehr gut bewertet wurde.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.gdch.de/strukturen/fg/cic/cic_preise/fiz.htm" target="_blank">www.gdch.de/strukturen/fg/cic/cic_preise/fiz.htm</a></ext-link>


<h2>Bioclipse</h2>
Bioclipse ist eine kostenlose, Open-Source-Arbeitsplattform für Chemo- und Bioinformatiker. Das intuitiv gestaltete Interface der Software bietet Werkzeuge zum Editieren und Visualisieren von 2D- und 3D-Molekülen, Proteinen, Sequenzen und Spektren (NMR, MS). In der neuesten Version 2.2.0 sind QSAR- und virtuelle Screening-Tools, eine Strukturdatenbank und weitere neue Eigenschaften integriert.
Bioclipse wird in Zusammenarbeit mit der Proteochemometric Group der Universität Uppsala (Schweden) und dem Cubic der Universität Köln entwickelt. Die Java-Programmierung findet auf der Rich Client Platform (RCP) von Eclipse statt, welche mit einer Plugin-Architektur die Entwicklungsumgebung darstellt.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://www.bioclipse.net" target="_blank">http://www.bioclipse.net</a></ext-link>
Thomas Engel, LMU München


<h2>Bloggen bis zur Euchems 2010</h2>
Aktuelle Nachrichten und wissenschaftliche Unterhaltung rund um den Euchems Chemistry Congress 2010 in Nürnberg bietet der Euchems 2010 Blog. Die Seite hat das Format eines Weblogs, das heißt es erscheinen in regelmäßigen Abständen neue Beiträge, die in chronologischer Reihenfolge zu sehen sind. Die Autoren, allesamt studierte Chemiker, informieren dort die Leser stets zeitnah über Neuigkeiten im Zusammenhang mit der Konferenz: So gibt es Anmeldefristen, Hinweise zu Teilnahmegebühren und Unterkunft, aber auch Informationen zu Stipendien und anderen Vergünstigungen für Teilnehmer. Außerdem stellen die Autoren jeden der prominenten Keynote Speaker in einem eigenen Beitrag vor.
Bei all dem kommt aber auch die Wissenschaft nicht zu kurz. Regelmäßig greifen Blogbeiträge aktuelle Forschungsthemen rund um die Chemie auf — durchaus auch kritisch.
Ausdrücklich erwünscht ist, dass sich die Leser an den Diskussionen beteiligen: Jeder Beitrag hat eine einfach zu bedienende Kommentarfunktion.
<a href="https://euchems2010.wordpress.com" target="_blank">euchems2010.wordpress.com</a>
Lars Fischer, Hamburg


<h2>Nanodata</h2>
Die Datenbank Nanodata enthält Informationen über Produkte und Verfahren der Nanotechnik sowie über Hersteller, Händler, Berater, Bildungs- und Forschungseinrichtungen. Nutzer rufen nicht nur Informationen ab, sondern verfassen auch selbst Beiträge und stellen Fragen. Zudem vernetzen sich hier in der Nanotechnik tätige Unternehmen, Universitäten und Forschungsinstitute.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nanodaten.de" target="_blank">www.nanodaten.de</a></ext-link>
Julia Sachs, Frankfurt


<h2>— — — Auf einen Blick</h2>
Umfassende Informationen zum Open-Source-Programm Jchempaint (JCP) für chemische Strukturen stehen im Internet. Hier lassen sich die Applikation jchempaint-3.0.1.jar, das Applet als jchempaint-applet-3.0.1.jar, eine Bibliothek für Entwickler (jchempaint-lib-3.0.1.jar) und der Quellcode herunter laden. Die Seite <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.ebi.ac.uk/steinbeck-srv/jchempaint-production-current/EditorApplet.html" target="_blank">www.ebi.ac.uk/steinbeck-srv/jchempaint-production-current/EditorApplet.html</a></ext-link> ermöglicht das direkte Ausprobieren des Applets im Browser.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://jchempaint.sf.net" target="_blank">http://jchempaint.sf.net</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://wwwdev.ebi.ac.uk/chebi" target="_blank">wwwdev.ebi.ac.uk/chebi</a></ext-link>.
</li>
<li>
2 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.openoffice.org" target="_blank">www.openoffice.org</a></ext-link>.
</li>
<li>
3 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.bioclipse.net" target="_blank">www.bioclipse.net</a></ext-link>.
</li>
<li>
4 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nmrshiftdb.org" target="_blank">www.nmrshiftdb.org</a></ext-link>.
</li>
</ul>

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