Ein Ziel der molekularen Strukturbiologie ist die Bereitstellung eines Proteinatlas, der Information über die räumliche Anordnung, die Konzentration und die Interaktionen von Proteinkomplexen in ihrer natürlichen ungestörten Umgebung enthält. Da nur im zellulären Kontext die Funktionen und die zugrunde liegenden Mechanismen, welche das Zusammenspiel der Makromoleküle steuern, verstanden werden können, benötigt man möglichst wenig-invasive Untersuchungsmethoden mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Die zelluläre Kryo-Elektronentomographie ist momentan die einzige Abbildungstechnik, die es ermöglicht, dreidimensionale (3D) hochaufgelöste Einblicke in die supramolekulare Architektur von vitrifizierten Zellen in toto zu geben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden intakte Zellen des Archaeons Thermoplasma acidophilum mittels Kryoelektronentomographie untersucht mit dem Ziel, einen makromolekularen Atlas der Zelle zu erstellen.
Ein limitierender Faktor in der Elektronentomographie sind die Abmessungen des zu untersuchenden Objektes in Durchstrahlungsrichtung. Zudem reduziert die intrinsisch hohe Proteindichte im Cytoplasma (Macromolecular Crowding) den Bildkontrast, was die Identifikation einzelner Makromoleküle in der Rekonstruktion mit dem momentanen Stand der Technik erschwert bzw. unmöglich macht. Deshalb wurde T. acidophilum bei unterschiedlichen Wachstumsbedingungen kultiviert, um die geeignetste Morphologie für die tomographische Datenaufzeichnung und nachfolgende Mustererkennung zu finden. Es wurden anaerobe Bedingungen gefunden, unter denen sich zum Teil besonders flache Zellen ausbildeten. Bei diesen Studien wurden in mehreren Tomogrammen von T. acidophilum Bündel von Filamenten innerhalb der Zelle beobachtet. Datenbanksuchen lieferten einige potentielle Kandidaten im Genom von T. acidophilum, die solche filamentöse Strukturen ausbilden könnten. Unter anderem auch das Protein Ta0583, ein archaeales Aktin-Homolog, welches mittels Elektronenmikroskopie und Röntgenstrukturanalyse weiter charakterisiert wurde.
T. acidophilum bietet sich als Modellsystem an, um mittels Kryo-Elektronentomographie und Mustererkennung die makromolekulare Architektur der Zelle zu untersuchen, da bereits mehrere Proteinstrukturen aus diesem Organismus bekannt sind und zusätzliche Informationen aus Genom- und Proteomanalyse verfügbar sind. Mit Hilfe der Free-Flow Elektrophorese wurden cytoplasmatische Proteine aus T. acidophilum, gemäß ihres isoelektrischen Punktes in zahlreiche Fraktionen aufgetrennt und anschließend elektronenmikroskopisch und massenspektrometrisch charakterisiert. Mit dieser Vorgehensweise wurde ein in T. acidophilum noch unbekannter hochmolekularer Proteinkomplex, die Ornithin Transcarbamoylase, gefunden. Dieser Proteinkomplex, bzw. die Struktur des homologen Proteins aus Pyrococcus furiosus, sowie das 70S Ribosom, das Thermosom und drei Proteasen (20S Proteasom, Tricorn und VAT) wurden mit Hilfe eines Mustererkennungsalgorithmus, der auf Kreuzkorrelation beruht, anhand ihrer strukturellen Signatur im Tomogramm einer Zelle lokalisiert.