„Es ist, als würde die Tür zu einer neuen Welt aufgestoßen“, sagt der Privatdozent Dr. Gregor Hagelüken: „Wenn ich zum ersten Mal die Struktur eines Proteins in allen Details vor mir sehe, dann hilft mir das oft zu verstehen, wie diese molekulare Maschine funktioniert.“
Eiweißmoleküle erledigen im menschlichen Körper eine Vielzahl von Aufgaben. Der Strukturbiologe von der Universität Bonn möchte verstehen, wie die dreidimensionale Form der Proteine mit ihren Funktionen zusammenhängt. Besonders interessieren Hagelüken Moleküle, die für das Immunsystem eine Rolle spielen: „Anwendungen dafür sehe ich etwa in der Krebstherapie oder für die Suche nach Alternativen zu Antibiotika.“
Sichtbar macht er die Gestalt der Proteine mithilfe der Kryo-EM, einer speziellen Form der Elektronenmikroskopie. In vielen Fällen liefert sie viel schneller Ergebnisse als die ältere Methode der Röntgenkristallographie. Das Problem besteht aber in der Verfügbarkeit der Geräte, so Hagelüken: „Es gibt nur wenige Standorte in Deutschland.“ Einer ist das Jülicher Ernst Ruska-Centrum (ER-C). Und es bietet weltweit einzigartige Elektronenmikroskope.
Für Hagelüken ist das ER-C aus mehreren Gründen ein Volltreffer: Die Nähe zu Bonn, keine Kosten für die nutzenden Hochschulen und die Expertise vor Ort: „Mein Team und ich haben dort erstmal ein umfassendes Training an den Geräten durchlaufen. Die Jülicher Fachleute haben uns gezeigt, wie man die Proben präpariert und ihre Qualität beurteilt. Und sie haben mit uns zusammen die ersten Messungen durchgeführt.“ Mittlerweile sind anhand von Messungen am ER-C erste Publikationen von Gregor Hagelüken und seinem Team entstanden.
Am Zentrum wird aber nicht nur mit, sondern auch an den Geräten geforscht. „Wir entwickeln die Elektronenmikroskope und Methoden selbst weiter, um kleinste atomare Strukturen sichtbar zu machen“, erklärt der Physiker Penghan Lu. Das hat Tradition. Am ER-C wurde zum Beispiel das Verfahren der sphärischen Aberrationskorrektur zur Verbesserung der Bildgebung miterfunden. Dabei werden unvermeidliche Abbildungsfehler der Elektronenoptik mithilfe von komplexen magnetischen Linsen ausgeglichen. Heute ist die Technik Standard in Hochleistungs-Elektronenmikroskopen.
Penghan Lu beschäftigt sich damit, wie sich die Auflösung und der Kontrast von Elektronenmikroskopen noch weiter erhöhen lassen, selbst wenn damit fragile Strukturen sichtbar gemacht werden sollen: „Gerade biologische Proben oder manche Strukturen aus der Materialwissenschaft werden durch den Elektronenstrahl der Mikroskope beschädigt. Daher versuchen wir, neue bildgebende Verfahren zu entwickeln, die den Bildkontrast erhöhen bei einer gleichzeitigen Reduktion der Elektronendosis.“
Als nationale Forschungsinfrastruktur stößt das Zentrum seit 2019 unter dem Projektnamen ER-C 2.0 in eine neue Dimension vor – mit innovativen Geräten und Anwendungen für Wissenschaft und Industrie. So entwickeln die Forscher:innen Geräte, die die Elektronenmikroskopie mit anderen Verfahren kombinieren, wie etwa der Atomsondentomographie. Lu: „Materialwissenschaftler benutzen oft diese beiden sich ergänzenden Techniken, um die dreidimensionale chemische Verteilung und atomare Struktur einer Probe zu bestimmen – müssen aber die Probe dafür von einem ins andere Gerät transportieren. Dieser Schritt entfällt in unserem Kombigerät.“
Die Jülicher Fachleute arbeiten auch an Elektronenmikroskopen, in denen sie Proben gezielt manipulieren können, etwa indem sie das Material unter dem Mikroskop zu Mikrostrukturen wachsen lassen und diesen Prozess fortlaufend verfolgen. „Das stellt uns vor völlig neue Herausforderungen. Unter anderem müssen wir das Vakuum in unseren Geräten deutlich verbessern. Dafür arbeiten wir eng mit den Herstellern zusammen“, sagt der Physiker.
Das einzigartige Zentrum zieht Forscher:innen aus allen Kontinenten an. „Aus der Zusammenarbeit sind oft dauerhafte Kooperationen entstanden. So kommt es zu neuen Synergien zwischen dem Zentrum und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt“, so Penghan Lu.
Wie es begann
1990 entstand in Jülich etwas Einmaliges in Europa: ein Zentrum für hochauflösende Elektronenmikroskopie mit vier Geräten modernster Bauart. Vergleichbares gab es damals nur in Japan und den USA. Elektronenmikroskope ermöglichen es, Materialien bis in atomare Dimensionen zu charakterisieren. In den 1990er Jahren entwickelten Expert:innen aus Darmstadt, Heidelberg und Jülich die Aberrationskorrektur, eine Methode, die physikalisch bedingte Abbildungsfehler korrigiert und so höhere Auflösungen ermöglicht. 2004 gründete Jülich mit der RWTH Aachen das Ernst-Ruska-Centrum (ER-C), ein nationales Kompetenzzentrum für höchstauflösende Elektronenmikroskopie. Derzeit wird die Infrastruktur des Centrums mit dem Projekt ER-C 2.0 weiter ausgebaut.
Dieser Artikel ist Teil der effzett 1/2026. Text: Arndt Reuning
