Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft

Erstmals wurde experimentell nachgewiesen, dass die ultimative Auflösungsgrenze in der Fluoreszenzmikroskopie – die Molekülgröße selbst – auch praktisch erreicht werden kann. Das MINFLUX Konzept schlägt ein neues Kapitel auf und eröffnet ungeahnte Möglichkeiten in der optischen Analyse von molekularen Systemen.

Wie und warum wir schlafen ist immer noch ein Rätsel. Schlaf ist wichtig für unsere Gesundheit. Doch wir wissen nicht, wie der Schlaf seine regenerierenden Kräfte entfaltet. Die Forschungsgruppe Schlaf und Wachsein widmet sich diesen grundlegenden Fragen. Untersucht wird zurzeit der Schlaf in einem, molekularbiologisch betrachtet, sehr einfachen Modellorganismus: dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Die Forscher konnten zeigen, dass nur ein einzelnes Neuron für das Schlafen dieser Würmer notwendig ist und das Einschlafen von einem definierten molekularen Mechanismus kontrolliert wird.

Neurodegenerative Erkrankungen gehen mit der Aggregation von meist intrinsisch ungefalteten Proteinen einher. Aufgrund der Kenntnis der Strukturbiologie dieser Proteine war es möglich, Oligomere als attraktives Target für disease modifying therapies zu identifizieren und mit anle138b eine Substanz zu finden, die die erforderlichen Eigenschaften zur Beeinflussung der Aggregation hat und oral bioverfügbar ist.

Viele Proteine, zu denen Informationen zum Verständnis ihrer biologischen Funktion gewonnen werden sollen, sind herkömmlichen Methoden nicht zugänglich. Die Forschungsgruppe befasst sich daher mit der Entwicklung und Anwendung von kernmagnetischer Resonanzspektroskopie zur Charakterisierung von Struktur und Dynamik von Proteinen der Festphase. Durch Methodenentwicklung in der Festkörper-NMR können bereits bestehende Möglichkeiten zum Verständnis von Proteinen verbessert werden mit dem Erfolg, weitere Proteine unter atomarer Auflösung zu charakterisieren.

Um die Erbinformation in lebenden Zellen zu nutzen, müssen Gene aktiviert werden. Die Gen-Aktivierung beginnt mit einem Kopiervorgang, der Transkription, bei dem eine Genkopie in Form von RNA erstellt wird. Der Kopiervorgang und die Kopiermaschinen, als RNA-Polymerasen bezeichnet, konnten nun in atomarem Detail beschrieben werden. Die Forschung wendet sich jetzt den Prozessen zu, die den Kopiervorgang regulieren und so die Genaktivität steuern können.

Mithilfe ultrakurzer Laserpulse können heute lichtinduzierte chemische Prozesse mit extrem hoher Zeitauflösung vermessen werden. Die meisten chemischen Reaktionen werden jedoch nicht durch Licht, sondern durch Stöße ausgelöst. Werden zeitaufgelöste Stoßexperimente durchgeführt, ist man entsprechend auf extrem kurze Atom- bzw. Molekülpulse angewiesen. Sehr intensive ultrakurze Wasserstoffatompulse wurden erstmals durch Bündelung auf 1,2 Nanosekunden komprimiert.

Die Forschungsgruppe Genexpression und Signalwirkung befasst sich mit den vielfältigen Funktionen von Mikro-RNAs (miRNAs) unter Stressbedinungen oder im Krankheitsfall. Dank miRNAs können Fehler oder zufällige Schwankungen bei der Genexpression abgefedert werden mit dem Vorteil, dass Zellen sich korrekt spezialisieren und ihre Eigenschaften bewahren. Dies garantiert, dass jede Zelle über ihr jeweils optimales Repertoire an Proteinen verfügen kann und somit ihre spezifischen Aufgaben erfüllt. Als Modellorganismus dienen Fruchtfliegen der Art Drosophila melanogaster.

Im letzten Jahrzehnt hat sich die magnetische Resonanzspektroskopie von Festkörpern (Festkörper-NMR) zu einer wichtigen Methode in der Strukturbiologie entwickelt, da man mit ihr strukturelle Informationen über Systeme erlangen kann, die entweder unlöslich sind oder sich nur schwer kristallisieren lassen. So können beispielsweise funktionale filamentartige Proteinanordnungen untersucht werden, wie die Nadel des bakteriellen Typ-III-Sekretionssystems – aufgebaut aus Hunderten von Kopien eines einzelnen kleinen Proteins.

Das katalytische Zentrum der Ribosomen besteht aus Ribonukleinsäure (RNA). Die Katalyse erfolgt überwiegend durch Orientierung der Substrate. Das Zentrum ist sehr flexibel: Neben der Verknüpfung von Aminosäuren zu Proteinen katalysiert es die hydrolytische Freisetzung der fertigen Proteine und akzeptiert auch unnatürliche Aminosäuren. Dies wird ausgenutzt für die gezielte Herstellung von Proteinen mit besonderen Eigenschaften. Die Peptidverknüpfung erfolgt üblicherweise spontan. Nur für die Verknüpfung von mehreren Prolinresten wird ein spezieller Translationsfaktor benötigt.

Makromolekulare Komplexe sind kleine Nanomaschinen und übernehmen die wichtigsten Aufgaben biologischer Prozesse. Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie können die dreidimensionalen (3D-) Strukturen dieser makromolekularen Maschinen hochaufgelöst untersucht und dynamische Vorgänge visualisiert werden. Das "Filmen" dieser Nanomaschinen trägt erheblich zum Verständnis molekularer Vorgänge auf struktureller Ebene bei.

Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Neurotransmittern übertragen werden. Transmitter werden in der Senderzelle in synaptischen Vesikeln gespeichert und durch Calcium-abhängige Exocytose freigesetzt. Es konnte ein quantitatives Modell eines synaptischen Vesikels erstellt werden. Zudem wurden die für die Exocytose verantwortlichen SNARE-Proteine in ihrer Struktur aufgeklärt. Durch Einbau dieser Proteine in künstliche Membranen konnte ihre Regulation durch Calcium besser verstanden und Teilschritte der Membranfusion aufgeklärt werden.

Viele Fragen in Forschung und Technik beschäftigen sich mit der Untersuchung von Nanopartikeln synthetischen oder biologischen Ursprungs. Aufgrund ihrer Größe von weniger als hundert Nanometern entziehen sich diese Objekte oft konventionellen Charakterisierungsmethoden. Nanofluidische Resonatoren ermöglichen es seit wenigen Jahren, die Masse einzelner Nanopartikel in Flüssigkeit zu messen und deren Größenverteilung in komplexen Proben zu charakterisieren. Die Informationen helfen dabei, grundlegende Prozesse in Biophysik, Medizin, Biologie und Biotechnologie zu verstehen und zu kontrollieren.

Eukaryotische prä-mRNA enthält nichtkodierende Regionen (Introns), welche entfernt werden müssen, bevor die mRNA in der Proteinbiosynthese verwendet werden kann. Dieses sogenannte Spleißen wird im Zellkern durch das Spleißosom katalysiert, eine molekulare Maschine hoher Komplexität und Dynamik, die aus zahlreichen Protein- und RNA-Komponenten besteht und auf jedem zu entfernenden Intron jeweils neu gebildet wird. Untersucht werden die Struktur und Funktion des katalytischen Arbeitszyklus des Spleißosoms mit biochemischen, molekularbiologischen, genetischen sowie strukturbiologischen Methoden.

Die Synthese chemisch markierter RNA ist häufig Voraussetzung für biophysikalische Untersuchungen von RNA und RNA-Protein-Interaktionen. Die Festphasensynthese ermöglicht den positionsspezifischen Einbau modifizierter Nukleotide in relativ kurze RNAs. Längere modifizierte RNAs sind durch kombinierte chemische und enzymatische Verfahren zugänglich. DNA-Enzyme sind katalytisch aktive DNAs, die durch In-vitro-Selektion aus Zufallsbibliotheken isoliert werden. DNA-Enzyme können für die Ligation von RNA-Fragmenten eingesetzt werden und werden für die direkte Modifikation von RNA entwickelt.

Chemische Umwandlungen der Materie sind häufig in komplizierter Weise aus Elementarreaktionen zusammengesetzt. Diese können im Labor isoliert und in ihrem zeitlichen Ablauf, ihrer Kinetik und Dynamik charakterisiert werden. Datenbanken der Resultate für Tausende von Elementarreaktionen sind die Basis für die Modellierung komplexer natürlicher Systeme bzw. für die Optimierung technischer Prozesse. Als Beispiele werden die Reaktion von Wasserstoffatomen mit molekularem Sauerstoff, der Zerfall von Molekülionen sowie die Reaktionen von Elektronen mit Schwefelhexafluorid in der Gasphase betrachtet.

Mittels eines neuen NMR-spektroskopischen Verfahrens gelang es, nicht nur die Durchschnittsstruktur des Proteins Ubiquitin zu bestimmen, sondern ein Strukturensemble des gelösten Proteins, das die Fluktuationen insbesondere in dem bisher unzugänglichen Zeitbereich zwischen 5 milliardstel und 50 millionstel Sekunden zugänglich macht. Dieses Ensemble erlaubt wichtige Rückschlüsse auf den Mechanismus der Protein/Protein-Erkennung mit potenziellen Konsequenzen für die Beeinflussung von Protein/Protein-Komplexen, was letztlich eine neue Dimension in der Pharmakaentwicklung bedeuten könnte.

Ungepaarte Elektronen weisen ein magnetisches Moment auf, das etwa drei Größenordnungen stärker ist als das Moment eines Protons. Mit Methoden der Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (EPR) kann dieses Moment in hochempfindlichen Messungen als Sonde dienen, um strukturelle Informationen auf der atomaren bis hin zur Nanometerskala zu gewinnen. Solche Experimente liefern Auskunft darüber, wie komplexe Biomoleküle ihre Struktur verändern, während sie ihre speziellen Aufgaben erfüllen. Die Methode der Multifrequenz-EPR-Spektroskopie wurde entwickelt, um enzymatische Reaktionen in Proteinen und Oligonukleotiden zu untersuchen.

Die DNS in allen Zellen unseres Körpers liegt im Komplex mit basischen Proteinen, den sogenannten Histonen, vor. Diese organisieren und schützen die Erbinformation und sind darüber hinaus elementar an der Regulation aller biologischen Prozesse, die die DNS betreffen, beteiligt. Eine Vielzahl unterschiedlicher post-translationaler Histonmodifizierungen (PTHM) steuert hierzu die Verfügbarkeit der DNS. Während viele PTHMs inzwischen biologischen Vorgängen und Signaltransduktionswegen zugeordnet werden konnten, sind ihre molekularen Wirkmechanismen meist nach wie vor nicht geklärt.

Der Zellkern verfügt über keine eigene Proteinsynthese, sondern importiert alle benötigten Proteine aus dem Zytosol. Umgekehrt versorgt er das Zytosol mit Ribosomen, mRNAs und tRNAs. Sämtlicher Kern-Zytoplasma-Transport wird durch die Permeabilitätsbarriere der Kernporen kontrolliert. Diese Permeabilitätsbarriere ist ein „intelligentes“ Hydrogel mit erstaunlichen Materialeigenschaften. Es unterdrückt den Durchtritt von inerten Makromolekülen, erlaubt aber einen bis zu 20.000fach schnelleren Einstrom derselben Moleküle, wenn diese an einen passenden Kern-Transport-Rezeptor gebunden sind.

Zirkadiane Uhren steuern zahlreiche physiologische Prozesse wie beispielsweise Schlaf- und Wachzustand, Blutdruck und Körpertemperatur. Sie ermöglichen den Organismen die Einregelung auf den 24-stündigen Tag/Nachtrhythmus der Erdumdrehung. Fast alle Lebewesen besitzen eine zirkadiane Uhr. Bei vielzelligen Organismen beherbergen beinahe alle Zelltypen ihren eigenen Oszillator. Der Uhrenmechanismus besteht aus einem stabilen Netzwerk von Genen und Proteinen, die sich einerseits wechselweise regulieren und damit den konstanten Gang der Uhr garantieren, es der Uhr aber andererseits auch ermöglichen, sich auf Änderungen im Licht- und Nahrungsrhythmus einzustellen.

Unlösliche oder nichtkristalline Moleküle sind an vielen chemischen oder biophysikalischen Prozessen beteiligt. Dazu gehört z.B. die funktionale Kontrolle von Membranproteinen durch externe Liganden oder die Bildung von Proteinaggregaten im Zusammenhang mit der Alzheimer´schen oder Parkinson’schen Krankheit. In solchen Systemen bietet die Festkörper-NMR (Kernspinresonanz) die Möglichkeit, strukturelle und/oder dynamische Information auf atomarer Ebene zu erhalten.

Die Freisetzung unterschiedlichster Signalstoffe erfolgt nach sehr ähnlichem Muster. In den Nervenendigungen ist der Neurotransmitter in Speicherbläschen, sog. Vesikeln, verpackt und wird vom Nervenimpuls durch Exozytose, d. h. Verschmelzung der Vesikel mit der Zellmembran, freigesetzt. Auf ganz ähnliche Art werden Hormone aus Drüsenzellen freigesetzt. Dabei greifen die zellulären Mechanismen der Exozytose auf dieselben molekularen Bausteine zurück. Dennoch ist bei genauer Betrachtung die Regulation der Freisetzung sehr unterschiedlich. Die meisten dieser Unterschiede sind wohl darauf zurückzuführen, dass an der Nervenendigung die beteiligten Elemente – Speichervesikel und kaliumspezifische Ionenkanäle – in hochregulierter Form zusammengeführt werden.

Die Arbeitsgruppe „Biomedizinische NMR“ befasst sich mit der Weiterentwicklung der Magnetresonanz-Tomografie und ihrer Anwendung in der Neurobiologie. Die Ansätze erlauben einzigartige Einblicke in die Struktur, den Stoffwechsel und die Funktion des intakten lebenden Gehirns – von Maus bis Mensch. Schwerpunkte bilden neben methodischen Entwicklungen die Untersuchungen von Tiermodellen neurodegenerativer Erkrankungen sowie neue Zugänge zu der Verschaltung von Nervenfasern und der kortikalen Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn.

Komplexe Lebewesen brauchen für die Entwicklung aus einer einzelnen Eizelle sowohl Zellteilung als auch Zellspezifizierung, um die Organe und die Strukturen des erwachsenen Körpers zu bilden. Damit solche Entwicklungsprogramme vollständig ablaufen können, müssen die Zellen in der Lage sein, Anweisungen von evolutionär konservierten Signalübertragungswegen zu empfangen und korrekt zu interpretieren. Einer dieser Wege, die JAK/STAT-Signalübertragung, ist Gegenstand der Forschung im Labor von Martin Zeidler, MPI für biophysikalische Chemie, Göttingen. Der JAK/STAT-Signalübertragungsweg spielt eine wichtige Rolle während der Embryonalentwicklung, bei der Entwicklung von Blutzellen und der Funktion des Immunsystems. Eine Fehlaktivierung der JAK/STAT-Signaltransduktion kann beim Menschen zu Leukämien oder Lymphomen führen. Ein besseres Verständnis dieses Übertragungsweges und der Mechanismen, die seine Aktivität kontrollieren, ist deshalb möglicherweise bedeutsam für die Medizin. Das Team um Martin Zeidler macht sich die evolutionäre Konservierung der verschiedenen Signalübertragungswege zunutze und untersucht die Regulatoren der JAK/STAT-Signalübertragung bei der Taufliege Drosophila melanogaster. Mit den verfügbaren genetischen und molekularen Methoden der Drosophila-Forschung haben die Wissenschaftler in verschiedenen Rasterfahndungen, so genannten „Screens“, Gene von wesentlicher Bedeutung für diesen Übertragungsweg identifiziert. Einige dieser Moleküle haben sie genauer während der normalen Entwicklung der Taufliege untersucht und dabei das Verständnis dieses wichtigen Signalübertragungsweges verbessert. Möglicherweise können so in der Zukunft durch Fehlaktivierungen hervorgerufene Erkrankungen besser diagnostiziert und behandelt werden.

Ein kleiner Teil der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) ist zuständig für die Ausschüttung von Hormonen, zum Beispiel Insulin, zur Regulation des Blutzuckerspiegels. Mithilfe der Maus als Tiermodell wollen Wissenschaftler am MPI für biophysikalische Chemie in Göttingen Faktoren identifizieren, die die Prägung dieser verschiedenen Hormon-produzierenden Zellen steuern. Zwei Kontrollgene, Arx und Pax4, sind maßgeblich für die koordinierte Reifung dieser Zellen verantwortlich.

Tiere bestehen aus zwei Hauptzelltypen: somatischen Zellen, welche für die Entwicklung und das Überleben eines Organismus verantwortlich sind, und Keimzellen, die sich zu Eizellen beziehungsweise Spermien differenzieren und die Entstehung eines neuen Organismus in der nächsten Generation ermöglichen. Eine Nachwuchsgruppe am Göttinger MPI für biophysikalische Chemie studiert die Entwicklung der Keimzellen im Zebrabärbling (Zebrafisch, Danio rerio), wobei die Wissenschaftler um Erez Raz insbesondere die molekularen Grundlagen der frühen Keimzellentwicklung und die Interaktion zwischen somatischen Zellen und Keimzellen in diesem Zeitfenster der Entwicklung zu verstehen suchen. Sie analysieren die Mechanismen, die bei der Auftrennung der Soma- und Keimzellenpopulation eine Rolle spielen, sowie die Mechanismen, welche für die Wanderung der Keimzellen zu den sich entwickelnden Gonaden verantwortlich sind. Die Gonade ist das Organ, in dem sich die Keimzellen zu Spermien oder Eizellen weiterentwickeln. Durch die Verwendung von Mutationen, die die somatische Entwicklung beeinträchtigen, können die Wissenschaftler bestimmen, ob somatische Zellen Signale absondern, die essenzielle oder unterstützende Funktionen in der Keimzellentwicklung haben. Umgekehrt analysieren sie, wie sich die somatischen Zellen entwickeln, wenn die Keimzellentwicklung blockiert ist.

Mikroskopie mit fokussiertem sichtbaren Licht unterlag üblicherweise der Abbeschen Beugungsgrenze: Strukturen, die feiner sind als etwa die halbe Lichtwellenlänge, können nicht aufgelöst werden. Arbeiten am Göttinger MPI haben aber gezeigt, dass in der Fluoreszenzmikroskopie, die für die Biologie eminent wichtig ist, die Beugungsgrenze aufgehoben werden kann. Das erste Beispiel dafür ist die Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie, die zur Zeit Auflösungen von 50 nm (1/12 der Wellenlänge) liefert und kürzlich sogar experimentell die Fähigkeit unter Beweis stellte, 16 nm aufzulösen.

Nervenzellen "unterhalten sich" mithilfe von so genannten Synapsen, wobei Veränderungen dieser Synapsen der langfristigen Informationsspeicherung im Nervensystem zu dienen scheinen. Die Nachwuchsgruppe "Neuroplastizität" am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie beschäftigt sich mit den zellulären und molekularen Mechanismen, die der Etablierung und der plastischen Umgestaltung von Synapsen zu Grunde liegen. Als Modellsystem dienen die neuromuskulären Synapsen der Fruchtfliege Drosophila, wobei die bekannten genetischen Ansätze mit elektrophysiologischen Messungen kombiniert werden. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler um Stephan Sigrist Protokolle entwickelt, die es erlauben, identifizierte Synapsen über mehrere Tage im intakten Tier (in vivo)zu verfolgen. Besonderes Interesse gilt hierbei den synaptischen Glutamatrezeptoren, die das von der vorgeschalteten präsynaptischen Zelle kommende Signal übertragen. Es zeigt sich, dass sich neue Glutamatrezeptor-Felder ausschließlich de novo ausbilden und dann innerhalb von etwa 24 Stunden zu ihrer endgültigen Größe heranwachsen. Die Mobilität der Glutamatrezeptoren während der Ausbildung einzelner Rezeptorfelder wurde in Bleichexperimenten und vermittels Photo-Aktivierung in vivo vermessen. Während reife Rezeptorfelder aufgrund geringen Ein- und Austritts von Rezeptoren stabil sind, kontrolliert der "Import"von Glutamatrezeptoren direkt das Wachstum der Rezeptorfelder. In Übereinstimmung hiermit finden die Wissenschaftler, dass Glutamatrezeptoren - unabhängig von ihrer Funktion als Ionenkanäle - direkt für den Aufbau der postsynaptischen Strukturen benötigt werden. Die Interaktion zwischen prä- und postsynaptischer Seite während der synaptischen Etablierung wird zurzeit durch In-vivo-Bildgebung untersucht. Überraschenderweise finden die Forscher hier, dass das "Drosophila-Grip-Homologe", potenzieller Bindungspartner von Glutmatrezeptoren, auch den Prozess der muskulären Wegfindung kontrolliert.

Der intramolekulare Schwingungsenergietransfer in verbrückten Azulen-Anthrazen-Verbindungen wird mithilfe zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Die Brücken bestehen aus molekularen Ketten vom Typ (CH₂)_m mit m ≤ 6 sowie (CH₂OCH₂)_n (n = 1,2) und CH₂SCH₂. Mit einem kurzen Laserpuls werden angeregte Moleküle präpariert, bei denen die Überschussschwingungsenergie zunächst auf der Azulenseite lokalisiert ist. Der Energietransfer durch die Brücke zur Anthrazenseite wird mit einem zweiten verzögerten Laserpuls verfolgt, der den Energieinhalt des Azulen- und/oder des Anthrazenchromophors abtastet. Die entsprechenden Zeitkonstanten τ_IVR steigen für kurze Brücken proportional zur Kettenlänge an. Für Ketten mit mehr als drei Elementen jedoch ist τ_IVR konstant und beträgt 4-5 ps. Der Vergleich mit molekulardynamischen Simulationen zeigt, dass die Kopplung der Ketten an die zwei Chromophore die Geschwindigkeit des intramolekularen Schwingungsenergietransfers limitiert. Innerhalb der Brücken erfolgt der Energietransport sehr viel effizienter, sodass τ_IVRunabhängig von ihrer Länge ist.