Zuverlässigkeit der Vorhersage einzuordnen. liefern. Wir können beispielsweise mit der Swiss Light Es sind vor allem zwei Gründe, die dahingehend für Un- Source am Paul Scherrer Institut innerhalb einer Woche terschiede sorgen. Zum einen sind Proteine sehr 昀氀exibel rund Hundert Proteine analysieren – vorausgesetzt wir und dynamisch. Die statische Struktur, die wir norma- haben Kristalle zur Hand. Zudem eignet sich die Röntgen- lerweise betrachten, spiegelt also nur einen Zeitpunkt kristallographie bestens für spannende Spezialanwen- oder eine mögliche Konformation des Proteins wider. dungen wie die Untersuchung von Metallionen. Mit dem Einige Regionen von Proteinen be昀椀nden sich in ständi- freien Röntgenlaser SwissFEL lassen sich beispielsweise ger Bewegung, die als intrinsisch ungeordnet bezeichnet auch dynamische Prozesse wie die Bindung von Molekü- werden. Jeder Versuch, diesen Regionen einen festen Satz len in Echtzeit verfolgen. von 3D-Koordinaten zuzuordnen, ist nicht sinnvoll oder Für grössere Proteine eignet sich die Kryo-Elek- interpretierbar. tronenmikroskopie (Kryo-EM), mit der wir inzwischen Zum anderen gibt es etliche Proteine, für die es auch sehr grosse Proteinkomplexe abbilden können und nur wenige koevolutionäre Signale gibt. Da sich Alpha- damit genaue Information über die Struktur erhalten. Fold bei der Vorhersage jedoch darauf stützt, sind gute Kryo-EM ist allerdings bei weitem nicht so schnell wie die Vorhersagen nicht möglich, wenn diese Signale nur spär- Röntgenkristallographie. Zudem generieren wir unglaub- lich vorhanden sind. Aus diesem Grund hat AlphaFold lich grosse Datenmengen, die wir für lange Zeit speichern seine Grenzen, so zum Beispiel bei der Vorhersage von müssen – was einen enormen Kostenfaktor darstellt. Strukturen von Viren-Proteinen, Antikörper-Antigen- Wir setzen auch NMR (Nuklearmagnetische Reso- komplexen oder bei der Untersuchung des Ein昀氀usses von nanz) zur Strukturaufklärung ein – vor allem für kleine Mutationen auf die Struktur. Auch für die Untersuchung Proteine in Lösung und zur Untersuchung von Interakti- von Bindungen biologischer oder synthetischer Molekü- onen und ihrer Dynamik in der Zelle. NMR ist allerdings le wie bei der Suche nach neuen Medikamenten gibt es schwierig und zeitaufwändig bei grossen Proteinen und Einschränkungen. erfordert Isotopenmarkierung. Für das schnelle «Testen» Die von AlphaFold gelieferten Kon昀椀denzwerte von Faltungen oder dem spezi昀椀schen Auslesen bestimm- spiegeln diese Unsicherheiten normalerweise wider. Für ter Eigenschaften ist NMR jedoch sehr e昀昀ektiv. uns bietet das die Möglichkeit, sich auf die Teile der Pro- Jede dieser Methoden hat ihre spezi昀椀schen Vor- teine bzw. die Proteine zu konzentrieren, bei denen die und Nachteile, und die Wahl der Methode hängt von der Vorhersage zuverlässig ist und die Fälle anzuzeigen, in Art des Proteins, der Verfügbarkeit von Ressourcen und denen es keine guten Vorhersagen machen kann. dem gewünschten Detailgrad der Struktur ab. SNI INSight: Welche Methoden gibt es für die SNI INSight: Werden diese Methoden jetzt durch experimentelle Strukturaufklärung? AlphaFold ersetzt? Timm Maier: Auch bei der Entwicklung experimenteller Janani Durairaj: Experimentelle Methoden und Alpha- Methoden zur Strukturaufklärung hat es in den letzten Fold ergänzen sich. Eine nützliche Analogie ist hier Wiki- Jahren enorme Fortschritte gegeben. Nach wie vor spielt pedia gegenüber ChatGPT. Sorgsam geprüfte experimen- die Röntgenkristallographie eine wichtige Rolle. Sie ist telle Strukturen sind dabei mit Wikipedia zu vergleichen bestens geeignet, um mit einem hohen Durchsatz hoch- und die Vorhersagen durch AlphaFold mit ChatGPT. Die au昀氀ösende Strukturen von kleinen Proteinmolekülen zu geprüften, experimentellen Strukturen enthalten viele Informationen über spezi昀椀sche biologisch relevante Wechselwirkungen und Mechanismen für eine kleinere Teilmenge bekannter Proteine. AlphaFold2 dagegen lie- fert Vorhersagen für eine weit grössere Anzahl von Prote- inen, für die es bisher keine experimentelle Struktur gibt und liefert damit sehr gute Ausgangspunkte für weitere Untersuchungen. Timm Maier: Ganz im Gegenteil, AlphaFold und ver- wandte Methoden sind ein wichtiger Beitrag zur notwen- digen Weiterentwicklung der experimentellen Analyse. Vor 20–30 Jahren lag der Fokus der experimentellen Strukturbestimmung bei der Aufklärung neuer prinzi- pieller Proteinfaltungen. Man wollte damit Daten aus der Genomforschung nutzen, um den Faltungsraum von Timm Maier und sein Team kombinieren experimentelle und compu- Proteinen zu erkunden. Dieser Prozess ist seit langem tergestütze Methoden wie AlphaFold zum Untersuchen von isolierten abgeschlossen. Heute beschäftigt sich die experimentel- Proteinen und Proteinen in Zellen, um die Dynamik und die Funktion in le Strukturbiologie mit der Frage wie die dynamischen der Zelle besser verstehen zu lernen. SNI INSight Dezember 2024 7