Frankfurt Institute for Molecular Life Sciences (FMLS) - CEF-MC

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forsCHunGsBereICH C – metHoDen Zur analytIK maKromoleKularer Komplexe
um leben zu verstehen, ist es erforderlich, die Änderungen
makromolekularer Komplexe in drei
Dimensionen zeitlich zu verfolgen. Im Cef werden
dazu alle zurzeit verfügbaren methoden auf höchstem
niveau weiterentwickelt: Kristallographie, nmr-spektroskopie,
Kryo-elektronenmikroskopie, lichtspektroskopie
und massenspektrometrie. Dieses methodenarsenal
erlaubt es, einzelne moleküle, sowohl isoliert als
auch in membranen und ganzen Zellen, mit der besten
räumlichen auflösung von weniger als einem Zehntel
nanometer und ultraschnell, in weniger als einer Billiardstel
sekunde, zu untersuchen. Damit erhalten wir
ein lückenloses Bild von der Vielzahl makromolekularer
Komplexe. Dieser Zweig der erforschung makromolekularer
Komplexe, die strukturbiologie, ist somit
unverzichtbar zum Verständnis zellulärer prozesse. auf
der Basis der ermittelten strukturen können funktionale
zellbiologische experimente entwickelt werden, die
im Vordergrund der beiden anderen schwerpunkte des
Cef stehen.
präzision, auflösung und Zeitraum der messungen
hängen von den biologischen systemen und den fragestellungen
ab. Geeignete methoden, um die Änderungen
der Komplexe zu erfassen, sind orts- und zeitaufgelöste
spektrale Verfahren.
C.1
biologische
elektronenmikroskopie
MoleCuleS at worK
Jede dieser spektroskopischen methoden hat ihre
eigenen Herausforderungen. methodisch ist die Kristallstrukturanalyse
am weitesten entwickelt. sie wird
eingesetzt zur strukturbestimmung von proteinen in
membranen sowie von protein-rna-Komplexen wie
dem ribosom, auf deren untersuchung sich die neu
nach frankfurt berufene Cef-professorin paola fucini
konzentriert. solche makromolekularen Komplexe
enthalten Hunderttausende von atomen und sind häufig
nicht stabil, sondern bilden sich nur vorübergehend.
mehrere Gruppen arbeiten am Cef mit der methode
der Kristallstrukturanalyse. Durchbrüche konnten
insbesondere bei membranproteinen der atmungskette
und bei Komplexen des ribosoms, an die antibiotika
gebunden wurden, erzielt werden.
Die nmr-spektroskopie ist insbesondere für die
untersuchung der struktur und Dynamik von Biomakromolekülen
entscheidend. eine der wesentlichen
limitationen ist die begrenzte empfindlichkeit
der methode. Genau dieses problem konnten nun Wissenschaftler
mehrerer forschergruppen am Cef lösen.
Durch die Verknüpfung zweier spektroskopiemethoden,
der elektronenspinresonanz (epr) und der protonenspinresonanz
(nmr), erreicht man eine zehntausendfache
Beschleunigung der messzeit.
das forschungsgebiet c des cef gliedert sich in folgende bereiche
C.5
Molekülspektroskopie
C.2
lichtmikroskopie
C.6
theorie und Simulation
C.3
Magnetresonanz:
nMr und ePr
C.7
eukaryontische
Modellorganismen
C.4
Massenspektrometrie
makromolekularer Komplexe
mit der elektronenmikroskopie lässt sich die struktur
von größeren Komplexen bis hin zu organellen
präzise bestimmen. auch hier werden wesentliche
methodische Durchbrüche zur Verbesserung der phasenkontraste
der elektronenmikroskopischen Bilder in
frankfurt erreicht. Die bereits in frankfurt etablierten
Gruppen wurden durch die Berufung des Cef-professors
achilleas frangakis massiv verstärkt.
es gibt verschiedene methoden der massenspektroskopie
(ms), also die exakte Vermessung der masse
makromolekularer Komplexe. Wesentliche Impulse
für die malDI- und die lIlBID-spektroskopie kommen
aus frankfurt. Die lIlBID-spektroskopie ist eine
erst kürzlich in frankfurt entwickelte methode, die es
ermöglicht, makromolekulare Komplexe während der
messung intakt zu lassen. Dadurch erhält man völlig
neuartige Informationen über die Zusammensetzung
der Komplexe, was bisher mit ms nicht möglich war.
Die entwicklung quantitativer modelle, die für molekulare,
zelluläre und multizelluläre prozesse skalierbar
sind, ist ein fundamentales Ziel der modernen
mathematisch-physikalisch orientierten lebenswissenschaften.
eine optimale fluoreszenzmikroskopie, wie sie der
neu nach frankfurt gekommene Cef-professor ernst
stelzer entwickelt, liefert dreidimensionale Bildstapel
mit exzellenter empfindlichkeit, einer ausreichenden
probendurchdringung und einer isotropen auflösung.
sie ist insbesondere für optisch dichte proben geeignet,
die eine heterogene struktur aufweisen. Die moderne
lichtmikroskopie, wie sie stelzer meistert, zeichnet
sich vor allem dadurch aus, dass sie komplexe prozesse
in drei Dimensionen als funktion der Zeit, also dynamisch,
verfolgen kann. so konnte stelzer zum Beispiel
die entstehung des auges in der entwicklung einer
fruchtfliege live verfolgen.
Die sinnvolle auswahl von modellorganismen zur
untersuchung bestimmter fragestellungen hängt von
mehreren faktoren ab, wie zum Beispiel Generationszeit,
Verfügbarkeit einer vollständigen Genomsequenz
und einfache erzeugung genomischer mutanten. Zur
Zeit sind am Cef der fadenwurm Caenorhabditis elegans,
die Hefen Saccharomyces cerevisiae und Yarrowia lipolytica,
der Hyphenpilz Podospora anserina sowie die maus
als eukaryotische modellorganismen etabliert.