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30.03.2021
Das Ei im Röntgenstrahl
Forschungsteam des DESY sowie der Universitäten Tübingen und Siegen untersucht Netzwerkbildung und Dynamik von Proteinen
Mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III hat ein Forschungsteam die Strukturänderungen in Eiern beim Kochen analysiert. Die Untersuchung zeigt, wie sich die Proteine im Hühnereiweiß beim Erhitzen entfalten und vernetzen, um eine feste Struktur zu bilden. Die innovative Untersuchungsmethode ist sowohl für die Lebensmittelindustrie interessant als auch für das große Feld der Proteinanalysen in der Forschung, wie die Kooperation der Gruppen von Professor Frank Schreiber von der Universität Tübingen und Professor Christian Gutt von der Universität Siegen gemeinsam mit Forschern von DESY und vom Europäischen Röntgenlaser European XFEL mit zwei Fachveröffentlichungen im Fachblatt Physical Review Letters zeigt.
Eier gehören zu den vielfältigsten Zutaten für Lebensmittel. Sie können Gel oder Schaum bilden oder vergleichsweise fest sein und dienen auch als Grundlage für Emulsionen. Bei etwa 80 Grad Celsius wird Eiweiß, auch Eiklar genannt, fest und auch optisch undurchsichtig. Das liegt daran, dass die Proteine im Eiweiß bei Erhitzen eine Netzstruktur ausbilden. Um die genaue molekulare Struktur von Eiweiß zu untersuchen, ist kurzwellige Strahlung wie Röntgenlicht nötig, die das undurchsichtige Eiweiß durchdringt und deren Wellenlänge nicht größer ist als die zu untersuchenden Strukturen.
Kontrolliertes Erhitzen
„Um die Strukturänderung im Detail zu verstehen, muss man das Phänomen auf der Mikrometer-Skala untersuchen“, erläutert die Hauptautorin der ersten Studie, die Alexander-von-Humboldt-Stipendiatin Dr. Nafisa Begam aus Schreibers Gruppe. Die Forscherinnen und Forscher benutzten die sogenannte Röntgenphotonen-Korrelationsspektroskopie (XPCS) in einer bestimmten Geometrie, sodass sich damit Struktur und Dynamik der Proteine im Eiweiß zugleich bestimmen ließen.
Für ihre Versuche an der Messstation P10 an PETRA III verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein handelsübliches Hühnerei und füllten das Eiweiß in ein Quarzröhrchen mit 1,5 Millimetern Durchmesser. „Darin wurde das Eiweiß kontrolliert erhitzt, während wir es mit Röntgenlicht analysiert haben“, berichtet Ko-Autor Fabian Westermeier von DESY. „Der Röntgenstrahl war dabei auf 0,1 mal 0,1 Millimeter aufgeweitet, sodass die Strahlungsdosis die Proteinstrukturen nicht geschädigt hat.“
Exponentielle Vernetzung im Drei-Minuten-Ei
Die Messung zeigt die Proteindynamik im Eiweiß über rund eine Viertelstunde. In den ersten knapp drei Minuten wuchs das Proteinnetzwerk demnach exponentiell und erreichte nach etwa fünf Minuten ein Plateau, auf dem sich nahezu keine weiteren Proteinverknüpfungen mehr formten. Die mittlere Maschengröße des Proteinnetzes lag nach dieser Zeit bei ungefähr 0,4 Mikrometern (tausendstel Millimetern).
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