Diese Technik ist im wahrsten Sinne cool – kryo eben. Mit Kryoelektronenmikroskopen fangen Forscher die atomaren Details des Lebens ein – Zellen, Viren bis hin zu den Molekülen einzelner Eiweiße. Solche filigranen Strukturen kann man nicht einfach so unter einem Elektronenmikroskop erkennen. Die Strahlung, der sie dabei ausgesetzt wären, würde sie zerstören. Doch gut gekühlt – schockgefrostet sozusagen – sind die empfindlichen Verästelungen geschützt und werden sichtbar.

Ohne Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson wäre das nicht möglich gewesen. Und genau deshalb erhalten die drei Forscher in diesem Jahr den Nobelpreis in Chemie

"Eine revolutionäre Technik", sei die Kryoelektronenmikroskopie, sagt Thomas Marlovits. Er ist Professor an der Uniklinik Eppendorf in Hamburg und leitet das Institut für Struktur- und Systembiologie CSSB am Desy. Dort arbeitet er selbst mit solchen Mikroskopen. Dass es für diese Technologie nun einen Nobelpreis gab, freut ihn besonders. "In Stockholm auf der Pressekonferenz zeigte die Nobeljury sogar unsere Bilder von den Nadelkomplexen der Salmonellen, die Zellen angreifen", sagt Marlovits. Er erforscht Krankheitserreger. Erst seit es solche Mikroskope gibt, kann seine Arbeitsgruppe sehen, was die auf molekularer Ebene genau machen.

Die Grundlagen dafür stammen von den frischen Nobelpreisträgern. Der deutsch-amerikanische Biophysiker Joachim Frank erstellte erstmals dreidimensionale Aufnahmen unter einem Elektronenmikroskop. Zwischen 1975 und 1986 fügte er mit einer eigens ausgetüftelten Bildbearbeitungsmethode bis dahin gängige 2-D-Aufnahmen zu neuen Bildern zusammen. Sein Kollege, der Schweizer Jacques Dubochet, entwickelte in den 1980er-Jahren dann eine Methode, mit der es möglich wurde, Proben aus lebendem Material quasi einzufrieren, ohne sie zu zerstören. Der schottische Biologe Richard Henderson schließlich erstellte 1990 das erste 3-D-Bild eines einzelnen Eiweißes.

Sanft mit Elektronen schießen

Doch wie genau funktioniert die Kryomikroskopie, die seit ihrer letzten großen Weiterentwicklung im Jahr 2013 gängige Praxis geworden ist? Auf minus 180 Grad Celsius oder weniger werden die Objekte, die man beobachten will, extrem rasch heruntergekühlt. "Derart schockgefrostet können wir verschiedene Zustände eines Moleküls ansehen – und brauchen keine Farbstoffe mehr", erklärt Marlovits. Wenn Forscher früher die Strukturen von Molekülen einer Salmonelle oder ein Stückchen DNA bestimmen wollten, mussten sie für die Röntgenstrukturanalyse zunächst kristallisieren.

Ein kompliziertes Verfahren, bei dem man jede Menge Moleküle mit allerhand Salzen und Lösungen behandeln musste, bis sich passend zu einigen davon – durch Zufall – die gewünschten Kristalle bildeten. Diese konnte man dann mit Röntgenstrahlen bestrahlen und aus den Daten ein Bild berechnen. Die so erhaltenen Bilder zeigen die Moleküle nur in einem bestimmten Zustand. Ein wenig so, als wolle man die Taktik in einem Fußballspiel verstehen und hätte nur einen Stapel von Schnappschüssen. Auf jedem dasselbe Bild: wie ein Fuß einen Ball trifft.

Im Schockfroster der Mikroskopie lassen sich hingegen verschiedene Momente einfrieren. Um im Bild zu bleiben, würde man hier also rennende Stürmer, sich nach dem Ball reckende Torwarte oder blockende Abwehrspieler sehen. Zurück in der Molekularbiologie heißt das: Wer sich mit dieser Methode zum Beispiel DNA oder andere Moleküle anschaut, wird in seiner Probe Momentaufnahmen davon finden, wie zum Beispiel ein Abschnitt des Erbguts gerade kopiert wird, einen anderen Schnappschuss davon, wie Eiweiße ein Stückchen herausschneiden und so weiter.