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

66 PrinCiPal inveStigatorS
PrinCiPal inveStigatorS
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Werner KÜHlBranDt
Werner Kühlbrandt, geboren 1951 in
Bayreuth, bekam als 14-Jähriger sein
erstes Mikroskop von seinen Eltern
geschenkt. Von diesem Zeitpunkt an
fasziniert ihn die mikroskopische Welt.
Nach Studium der Chemie, Biochemie
und Biophysik in Berlin und London
sowie der Promotion 1981 am Institut
für Molekulare Biologie der Universität
Cambridge ging er von 1981 bis 1988 zu
Forschungsaufenthalten an die ETH
Zürich, ans Imperial College London sowie
ans Lawrence Berkeley Laboratory,
Berkeley. Von 1986 bis 1991 war Kühlbrandt
Heisenberg-Stipendiat und von
1988 bis 1996 Forschungsgruppenleiter
am Europäischen Labor für Molekularbiologie
(EMBL) in Heidelberg, wo er
sich 1992 an der Universität Heidelberg
in Biophysik habilitierte. Seit 1997 ist
er Direktor und Wissenschaftliches
Mitglied am Max-Planck-Institut für
Biophysik, Abteilung Strukturbiologie,
und außerplanmäßiger Professor an der
Goethe-Universität Frankfurt sowie seit
2006 Mitglied des CEF-Direktoriums und
Stellvertreter des CEF-Sprechers.
struKtur unD funKtIon Von memBranproteInen
MoleKulare energieuMwanDler
membranproteine gehören zu den faszinierendsten
molekülen in lebenden
Zellen. In den lipidmembranen, die
jede Zelle umgeben und unterteilen, sind
membranproteine für eine große anzahl
verschiedener lebenswichtiger prozesse zuständig.
Will man jeden einzelnen dieser
prozesse genau verstehen, muss man die
exakte räumliche struktur der beteiligten
proteine kennen – und dies möglichst im
atomaren maßstab. Dabei ist es oft notwendig,
zwei oder mehr verschiedene funktionale
Zustände der beteiligten proteine
aufzuklären. Das gilt ganz besonders für
membranproteine, deren funktion und
aktivität häufig auf Änderungen der Konformation
beruht.
membranproteine machen zurzeit weniger
als ein halbes prozent aller in der weltweiten
protein-Datenbank aufgeführten
proteinstrukturen aus. man schätzt jedoch,
dass fast ein Drittel aller Gene in jedem lebewesen
für die Bildung von membranproteinen
verantwortlich sind. auch wenn sich
die situation in den vergangenen Jahren
deutlich verbessert hat, besteht ein dringender
Bedarf nach mehr und genauerer strukturinformation.
Der l-Carnitin/γ-butyrobetain-antiporter Cait ist
ein Mitglied der betain/Carnitin/Cholin-transporter-
(bCCt)-familie. Cait bildet in der Membran ein
symmetrisches Homotrimer. in der periplasmatischen
aufsicht (links) ist die anordnung der drei Protomeren
erkennbar. Cait-trimere in der Membran in der ansicht
parallel zur Membran (rechts): nur ein geringer teil des
Proteins ragt aus der Membran hinaus in den periplasmatischen
bereich (out) bzw. in den cytoplasmatischen
bereich (in).
Das Hauptinteresse unserer arbeitsgruppe
ist die elektronen- und röntgenkristallographie
von molekülen, die an der biologischen
energieumwandlung beteiligt sind.
In letzter Zeit beschäftigen wir uns verstärkt
mit energiewandelnden membranproteinen
wie sekundärtransportern. Zudem interessieren
wir uns für die frage, wie große
Komplexe in ihrer natürlichen umgebung
angeordnet sind und untersuchen dies mit
Hilfe der elektronentomographie.
so konnten wir beispielsweise die struktur
des wichtigsten lichtsammlerkomplexes
in pflanzen, den lHC-II-Komplex, mit atomarer
auflösung bestimmen. Weitere Beispiele
sind die struktur des dimeren transportproteins
natrium-protonen-antiporter
nhaa, der bakteriellen protein-translocase
secyeG sowie des Carnitin-transporters
Cait. Die struktur dieser drei proteine
konnten wir mit einer auflösungsgenauigkeit
von sechs bis acht Ångström elektronenkristallographisch
bestimmen.
moleKulare meCHanIsmen Der BaKterIellen enerGIeumWanDlunG
KoMPlexe atMung
redoxzentren in der Cytochrom-c-oxidase aus
Paracoccus denitrificans. Dieses enzym katalysiert die
reduktion von Sauerstoff zu wasser und koppelt diese
reaktion an den transport von Protonen über eine
biologische Membran.
unsere arbeitsgruppe untersucht die mechanismen,
mit denen energie in der
atmungskette umgewandelt wird. Bei der
nutzung von nahrungsstoffen werden elektronen
kaskadenförmig in mehreren stufen
über proteinkomplexe in der mitochondrialen
membran weitergegeben und letztlich
auf sauerstoff übertragen. Die freie energie
dieses Vorgangs wird vorübergehend in einen
protonengradienten »investiert«, der
dann die synthese von adenosintriphosphat
(atp), der generellen energiewährung der
Zelle, antreibt.
als modellorganismen nutzen wir dazu
Bakterien, vor allem das Bodenbakterium
Paracoccus denitrificans. sowohl der genetische
Hintergrund als auch die strukturen
dieser proteinkomplexe sind bei Bakterien
wesentlich einfacher als bei den erheblich
komplexeren mitochondrien höherer Zellen.
Wir interessieren uns vor allem für die
terminalen oxidasen, also für diejenigen
enzyme, die bei allen aerob lebenden organismen
bei der oxidation eines substrats die
freiwerdenden elektronen letztendlich auf
sauerstoff übertragen. Dabei untersuchen
wir molekulare Vorgänge der protonen-
translokation und die entstehung radikalischer
Zwischenstufen. auch die chaperonunterstützte
Biogenese der metallzentren in
der Cytochrom-c-oxidase sowie die supramolekulare
organisation der individuellen
redoxkomplexe in der membran gehören
zu diesem forschungsansatz. ein weiterer
schwerpunkt ist der Cytochrom-bc 1 -Komplex.
Hier analysieren wir die untereinheiten
des Komplexes in verschiedenen organismen
und befassen uns mit der Interaktion
zwischen dem Komplex und seinen c-typsubstraten
sowie der funktionellen Wechselwirkung
zwischen den monomeren im
Dimerkomplex. als untersuchungsmethoden
setzen wir dabei die analyse der Genorganisation,
die gezielte mutagenese sowie
die biochemische und biophysikalische Charakterisierung
der proteinkomplexe ein.
BernD luDWIG
Bernd Ludwig forscht und lehrt seit 1992
in Frankfurt und war zwischen 2002 und
2008 Sprecher des SFB 472 »Molekulare
Bioenergetik«. Nach dem Studium der
Chemie und der Promotion in Biochemie
in Marburg ging er als Postdoc an das
Institute of Molecular Biology in Eugene,
Oregon und danach an das Biozentrum
in Basel, wo auch die Habilitation
erfolgte. Es schloss sich ein längerer
Aufenthalt an der Medizinischen Universität
zu Lübeck an. In Frankfurt war er in
mehreren Funktionen der akademischen
Selbstverwaltung und der Organisation
der Lehre tätig.