Struktur und Funktion molekularer Maschinen

Struktur und Funktion molekularer Maschinen

Ziel unserer Forschung ist die strukturelle und funktionelle Charakterisierung von molekularen Maschinen in eukaryotischen Zellen und Organellen. Hierfür kombinieren wir verschiedene strukturbiologische Methoden wie Einzelpartikel Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) mit biochemischen und biophysikalischen Ansätzen, um mechanistische Einblicke in zelluläre Prozesse zu erhalten.

Ein besonderer Fokus unserer Forschung liegt dabei auf Mitochondrien. Diese von einer Doppelmembran umschlossenenen Organellen innerhalb eukaryotischer Zellen werden häufig als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet, da sie mithilfe der membranständigen Atmungskette den Großteil der zum Leben benötigten Energie bereitstellen. Desweiteren sind sie an einer Vielzahl weiterer Prozesse beteiligt, von Metabolismus über Signalgebung bis hin zu Immunreaktionen. Es überrascht daher nicht, dass Störungen der mitochondrialen Funktion mit einer Reihe von Erkrankungen und Alterungserscheinungen in Verbindung gebracht werden. Aufgrund ihres endosymbiontischen Ursprungs enthalten Mitochondrien ein eigenes Genom, welches für essentielle Untereinheiten der Atmungskette kodiert. Diese Untereinheiten müssen sich mit einer Vielzahl von im Nukleus kodierten und importierten Untereinheiten zusammenlagern, um funktionelle Komplexe zu bilden. Die Expression der mitochondrialen Gene muss daher reguliert und mit jener im Nukleus koordiniert werden. Dieser Vorgang ist unabdingbar für die Zelle, denn Störungen der mitochondrialen Genexpression führen zu schweren Krankheiten. Die mitochondrialen Gene werden von einer Reihe von spezialisierten molekularen Maschinen exprimiert, zu denen eine mitochondriale RNA Polymerase sowie ein mitochondriales Ribosom gehören. Diese Maschinerie ist evolutionär einzigartig, denn sie vereint Eigenschaften von eukaryotischen, bakteriellen und viralen Genexpressionssystemen. Trotz ihrer zentralen Rolle für das eukaryotische Leben sind die molekularen Mechanismen der mitochondrialen Genexpression und wie diese reguliert wird bisher jedoch weitgehend unbekannt.

Mit unserer Forschung möchten wir grundlegende offene Fragen der mitochondrialen Molekularbiologie beantworten. Unser Ziel ist es, ein molekulares Verständnis der mitochondrialen Genexpression sowie deren Regulation und Integration mit anderen zellulären Prozessen zu erlangen. Um dies zu erreichen, untersuchen wir sowohl die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen als auch deren Organisation und Koordination innerhalb der Organelle. Durch Kombination von in vitro (Einzelpartikel Kryo-EM) und in situ (Kryo-ET) Strukturbiologie möchten wir diese Prozesse sowohl auf der atomaren als auch zellulären Ebene beschreiben. Langfristig erhoffen wir uns dadurch molekulare Einblicke in die Funktionsweise von menschlichen Mitochondrien und deren Rolle bei der Entstehung von Krankheiten.

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