Bestimmung biogener Kristallstrukturen mittels 3D-Elektronenbeugung
Biogene Kristalle sind natürlich vorkommende kristalline Materialien, die von lebenden Organismen gebildet werden. Beispiele sind Calciumoxalat-Kristalle in Pflanzen, Magnetit-Kristalle in Bakterien und Tieren sowie verschiedene Biomineralien im menschlichen Körper. Aufgrund ihrer wichtigen biologischen Funktionen stehen sie im Fokus der Forschung. Ihre hohe Komplexität und Empfindlichkeit erschweren jedoch die Analyse.
Die Strukturbestimmung biogener Molekülkristalle ist besonders anspruchsvoll, da die Kristalle bei der Extraktion leicht beschädigt werden und meist nur in geringen Mengen sowie Größen von wenigen Nanometern bis Mikrometern vorliegen. Klassische Methoden wie die Einkristall-Röntgenbeugung (SC-XRD) oder die Pulver-Röntgenbeugung (PXRD) stoßen dabei an ihre Grenzen.
Elektronenbeugung
Methoden der 3D-Elektronenbeugung (3D-ED), auch als Mikrokristall-Elektronenbeugung (MicroED) bekannt, haben sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt.
Im Gegensatz zur Röntgenbeugung nutzt die 3D-ED Elektronen, die deutlich stärker mit Materie wechselwirken. Dadurch können Kristalle untersucht werden, deren Volumen bis zu 10⁶-mal kleiner ist als für die Röntgenbeugung erforderlich – selbst in Kristallgemischen. So lassen sich Proben, die bislang nur als Pulver galten, als Einkristalle vermessen.
Eldico ED-1
Das ELDICO ED-1 – das weltweit erste dedizierte Elektronenbeugungsgerät – wurde für die Untersuchung nanometergroßer Kristallite unter Umgebungs- oder Kryobedingungen entwickelt. Dank einer minimalen Elektronenexposition von < 0,01 e- Å-² s-¹ und der gezielten Beleuchtung des Untersuchungsbereichs eignet sich das System besonders für strahlempfindliche Materialien wie organische Kristalle.
Abb. 1: Beim ELDICO ED-1 zeigen die experimentellen Beugungsdaten eine perfekte Übereinstimmung mit den simulierten Daten
| Probe | Fisch | Spinne | Muschel |
|---|---|---|---|
| Auflösung [Å] | 0,67 | 0,67 | 0,80 |
| Reflexionen | 5155 | 6019 | 2289 |
| Vollständigkeit [%] | 87,4 | 97,7 | 80,2 |
| R1(all refl.) | 0,195 | 0,278 | 0,446 |
| R1[I>2δ(I)] | 0,177 | 0,241 | 0,374 |
| wR2 (all refl.) | 0,537 | 0,540 | 0,735 |
| Güte des Fit | 2,43 | 2,03 | 3,01 |
Verfeinerungsdetails für das β-Polymorph von Guanin
Fallstudie: Guaninkristalle im Spinnenintegument, in Fischschuppen und in Jakobsmuschelaugen
Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Ben-Gurion-Universität des Negev, der Cardiff University und dem Anwendungsteam der ELDICO Scientific AG wurden biogene Guaninkristalle aus Fischschuppen, der Körperhülle von Spinnen und den Augen von Kammmuscheln untersucht [1]. Die Ergebnisse sind in der Tabelle dargestellt und dem Paper von Hirsch et al. entnommen [2]. Mithilfe der 3D-ED-Daten konnten Wasserstoffatome direkt lokalisiert und die β-Guanin-Kristallstruktur gegenüber der zuvor veröffentlichten Version verbessert werden.
Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für das Verständnis biogener Kristalle und ihr Potenzial für nachhaltige, biokompatible optische Anwendungen. Zu den wesentlichen Vorteilen des ELDICO ED-1 zählen:
- mühelose Datenerfassung
- ab initio-Strukturlösung
- Verfeinerung der Strukturen ohne Restriktionen
- keine Notwendigkeit einer reinen Verbindung; Datenerfassung direkt aus dem Rohmaterialpräzise Karten des elektrostatischen Potenzials, anhand derer Wasserstoffatome direkt lokalisiert werden konnten
[1] Wagner, A.; Merkelbach, J.; Samperisi, L.; Pinsk, N.; Kariuki, B. M.; Hughes, C. E.; Harris, K. D. M.; Palmer, B. A. Cryst. Growth Des. 2024, 24, 899–905. doi.org/10.1021/acs.cgd.3c01290.
[2] Hirsch, A.; Gur, D.; Polishchuk, I.; Levy, D.; Pokroy, B.; Cruz-Cabeza, A. J.; Addadi, L.; Kronik, L.; Leiserowitz, L. “Guanigma”: The Revised Structure of Biogenic Anhydrous Guanine. Chem Mater. 2015, 27, 8289−8297
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