Was ist Strukturbiologie?
What is structural biology?
Structural biology is a field that is many centuries old which, as defined by the Journal of Structural Biology, deals with structural analysis of living material (formed, composed of, and/or maintained and refined by living cells) at every level of organization. Early structural biologists throughout the 19th and early 20th centuries were primarily only able to study structures to the limit of the naked eye's visual acuity and through magnifying glasses and light microscopes.

In the 20th century, a variety of experimental techniques were developed to examine the 3D structures of biological molecules. The most prominent techniques are X-ray crystallography, nuclear magnetic resonance, and electron microscopy. Through the discovery of X-rays and its applications to protein crystals, structural biology was revolutionized, as now scientists could obtain the three-dimensional structures of biological molecules in atomic detail. Likewise, NMR spectroscopy allowed information about protein structure and dynamics to be obtained. Finally, in the 21st century, electron microscopy also saw a drastic revolution with the development of more coherent electron sources, aberration correction for electron microscopes, and reconstruction software that enabled the successful implementation of high resolution cryo-electron microscopy, thereby permitting the study of individual proteins and molecular complexes in three-dimensions at angstrom resolution.

With the development of these three techniques, the field of structural biology expanded and also became a branch of molecular biology, biochemistry, and biophysics concerned with the molecular structure of biological macromolecules (especially proteins, made up of amino acids, RNA or DNA, made up of nucleotides, and membranes, made up of lipids), how they acquire the structures they have, and how alterations in their structures affect their function. This subject is of great interest to biologists because macromolecules carry out most of the functions of cells, and it is only by coiling into specific three-dimensional shapes that they are able to perform these functions. This architecture, the "tertiary structure" of molecules, depends in a complicated way on each molecule's basic composition, or "primary structure." At lower resolutions, tools such as FIB-SEM tomography have allowed for greater understanding of cells and their organelles in 3-dimensions, and how each hierarchical level of various extracellular matrices contributes to function (for example in bone). In the past few years it has also become possible to predict highly accurate physical molecular models to complement the experimental study of biological structures. Computational techniques such as Molecular Dynamics simulations can be used in conjunction with empirical structure determination strategies to extend and study protein structure, conformation and function.
Die Strukturbiologie ist ein jahrhundertealtes Fachgebiet, das sich nach der Definition des Journal of Structural Biology mit der strukturellen Analyse von lebendem Material (das von lebenden Zellen gebildet, zusammengesetzt und/oder erhalten und verfeinert wird) auf allen Organisationsebenen beschäftigt. Die frühen Strukturbiologen im 19. und frühen 20. Jahrhundert konnten die Strukturen nur bis zur Grenze der Sehschärfe des bloßen Auges und mit Hilfe von Lupen und Lichtmikroskopen untersuchen.

Im 20. Jahrhundert wurde eine Vielzahl von experimentellen Techniken entwickelt, um die 3D-Strukturen biologischer Moleküle zu untersuchen. Die bekanntesten Techniken sind die Röntgenkristallografie, die Kernspinresonanz und die Elektronenmikroskopie. Durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen und ihre Anwendung auf Proteinkristalle wurde die Strukturbiologie revolutioniert, da Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die dreidimensionalen Strukturen biologischer Moleküle bis ins atomare Detail erfassen konnten. Ebenso ermöglichte die NMR-Spektroskopie die Gewinnung von Informationen über die Struktur und Dynamik von Proteinen. Schließlich erlebte auch die Elektronenmikroskopie im 21. Jahrhundert eine drastische Revolution mit der Entwicklung kohärenterer Elektronenquellen, der Aberrationskorrektur für Elektronenmikroskope und einer Rekonstruktionssoftware, die die erfolgreiche Umsetzung der hochauflösenden Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglichte und damit die Untersuchung einzelner Proteine und Molekülkomplexe in drei Dimensionen mit Angström-Auflösung erlaubte.

Mit der Entwicklung dieser drei Techniken weitete sich das Gebiet der Strukturbiologie aus und wurde zu einem Zweig der Molekularbiologie, Biochemie und Biophysik, der sich mit der molekularen Struktur biologischer Makromoleküle (vor allem Proteine, die aus Aminosäuren bestehen, RNA oder DNA, die aus Nukleotiden bestehen, und Membranen, die aus Lipiden bestehen) befasst, wie sie ihre Strukturen erhalten und wie sich Veränderungen ihrer Strukturen auf ihre Funktion auswirken. Dieses Thema ist für Biologinnen und Biologen von großem Interesse, denn Makromoleküle erfüllen die meisten Funktionen der Zellen, und nur wenn sie sich zu bestimmten dreidimensionalen Formen aufrollen, können sie diese Funktionen erfüllen. Diese Architektur, die "Tertiärstruktur" der Moleküle, hängt auf komplizierte Weise von der Grundzusammensetzung oder "Primärstruktur" eines jeden Moleküls ab. Bei niedrigeren Auflösungen haben Werkzeuge wie die FIB-SEM-Tomografie ein besseres Verständnis der Zellen und ihrer Organellen in drei Dimensionen ermöglicht und wie jede Hierarchieebene der verschiedenen extrazellulären Matrizen zur Funktion beiträgt (z. B. in Knochen). In den letzten Jahren ist es auch möglich geworden, hochpräzise physikalische Molekülmodelle vorherzusagen, um die experimentelle Untersuchung biologischer Strukturen zu ergänzen. Computertechniken wie Molekulardynamiksimulationen können in Verbindung mit empirischen Strukturbestimmungsstrategien eingesetzt werden, um die Struktur, Konformation und Funktion von Proteinen zu erweitern und zu untersuchen.
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