Platziert man Interdigital-Übertrager an den vier Kanten einer quadratischen, mit einer Proteinkristall-Suspension gefüllten Mikrofluidikzelle, erzeugen die Radiofrequenzen der Übertrager ein Wellenknotengitter, das die Kristalle in einem Muster anordnet. Foto: Tony Jun Huang
Stehende akustische Oberflächenwellen könnten ein brennendes Problem der Proteinkristallographen lösen.
Eigentlich könnte die Welt der Proteinkristallographen derzeit nicht besser aussehen. Für die Röntgenstrukturanalyse von Proteinen stehen ihnen riesige Teilchenbeschleuniger zur Verfügung. Das Deutsche Elektronen-Synchrotron in Hamburg etwa, erzeugt „das stärkste Röntgenlicht der Welt“ erzeugen. Auch bei der Detektion der an den Proteinkristallen gestreuten Röntgenstrahlen können sie aus dem Vollen schöpfen und mit modernsten Hybrid-Pixel-Array-Detektoren riesige Datenraten aufzeichnen.
Allein an einem ganz profanen Problem scheitern noch immer viele Röntgenstrukturanalysen: Ausgerechnet die Kristalle biologisch interessanter Proteine bleiben, trotz Eselsgeduld und allerlei Voodoo-Zauber der Kristallographen, oft winzig klein. Ihr Transport von der Kristallisationsschale auf den Probenhalter des Röntgengeräts gleicht deshalb einem Himmelfahrtskommando und endet all zu oft in einem Fiasko.
Zwar haben sich die Kristallographen allerlei Tricks ausgedacht, mit denen sie die oftmals nur wenige Mikro- oder Nanometer großen Kristalle manipulieren können. So versuchen sie die Winzlinge zum Beispiel mit optischen Pinzetten und kleinen Roboterarmen zu greifen oder über Photoablation auf den Probenträgern zu fixieren. Aber selbst mit diesen ausgeklügelten und entsprechend teuren Methoden gelingt dies nicht immer. Zudem sind sie für den Hochdurchsatz meist ungeeignet.
Ein neues, vielversprechendes Manipulationsverfahren für kleine, fragile Proteinkristalle, das mit stehenden akustischen Oberflächenwellen (SSAW) arbeitet, hat eine Gruppe von der Pennsylvania State University im Februar im Fachjournal Small veröffentlicht (Guo et al., DOI: 10.1002/smll.201403262).
Der SSAW-Manipulator besteht aus drei einfachen Bauteilen: einer Kapillare (mikrofluidischer Kanal) aus Polydimethylsiloxan (PDMS), dem Lieblings-Plastikmaterial der Mikrofluidiker, zwei Interdigital-Übertragern (IDTs) sowie einem piezoelektrischen Lithium-Niobat-Substrat. Die zwei IDTs sind gegenüberliegend auf dem Substrat platziert. Die Kapillare durch die die Mikrokristalle fließen, liegt wie ein schmaler Steg auf den IDTs und verbindet sie.
Schließt man die IDTs an eine Radiofrequenz an, erzeugen sie zwei gegenläufige akustische Oberflächenwellen. Gleicht man deren Frequenz entsprechend ab, entsteht aus den sich überlagernden Wellen eine stehende akustische Oberflächenwelle mit ortsfesten Wellenknoten.
Der Schallstrahlungsdruck dieser stehenden Welle schiebt die Proteinkristalle in der Kapillare zu den Knoten und fixiert sie hier. Ihre Position in den Wellenknoten lässt sich sowohl über die Frequenz, als auch über den Phasenwinkel der Radiowellen einstellen. Die Kräfte, die bei diesem Prozess auf die Kristalle einwirken, sind mit weniger als zehn Pico-Newton verschwindend gering.
Dieses Prinzip funktioniert aber nicht nur in eindimensionalen Kapillaren. Platziert man vier IDTs an den Kanten einer quadratischen Kammer aus PDMS, die mit einer Protein-Kristallsuspension gefüllt ist, entsteht innerhalb der Kammer ein zweidimensionales Wellenknotenmuster. Auch in diesem Fall wandern die Proteinkristalle exakt an die von den Wellenknoten vorgegebenen Positionen.
Nach Angaben der Autoren arbeitet der SSAW-Manipulator nicht nur äußerst präzise und kristallschonend, er ist auch günstig sowie einfach herzustellen. Für Protein-Kristallographen, die sich mit schwer hantierbaren Mikrokristallen herumschlagen, könnte sich ein Blick in die Originalarbeit also durchaus lohnen.
Harald Zähringer