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Forschungsbereich D: Design makromolekularer Komplexe

Zu den Schlüsselpositionen, die makromolekulare Komplexe im Stoffwechsel eines jeden Organismus besetzen, gehören die Energiegewinnung, der Aufbau von Zellstrukturen und die Regulation bzw. Koordination zellulärer Abläufe.

Die Fortschritte zum Verständnis dieser zellulären „Maschinen“ ermöglichen es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des CEF, mit der zweiten Förderperiode (CEF-II) ab 2012 einen neuen Abschnitt in der Forschung an makromolekularen Komplexen einzuleiten. Ausgewählte Proteinkomplexe werden dabei zielgerichtet verändert, um so neue Funktionen zu gewährleisten.Aufbauend auf den Erkenntnissen aus früheren Forschungsvorhaben, unter anderem erzielt in der ersten Förderperiode des CEF (CEF-I), sollen so maßgeschneiderte makromolekulare Komplexe neue Aufgaben erfüllen und in Raum und Zeit kontrollierbar arbeiten.

Der Arbeitsplan ist mehrstufig:
(i) Gewünschte neue Funktionen werden identifiziert,
(ii) Vorhersagen zur Modifizierung von Proteinen aus theoretischen Überlegungen abgeleitet,
(iii) neue Funktionen experimentell in wenig komplexen Messanordnungen getestet und
(iv) maßgeschneiderte makromolekulare Komplexe in einfache Modellorganismen transferiert, um dort die neue Funktion auszuüben.

Dieser Ansatz umfasst die Kontrolle statischer und dynamischer Eigenschaften von makromolekularen Komplexen. Entsprechend steht in Frankfurt ein breites Spektrum an Methoden in diesem Forschungsbereich zur Verfügung: Protein-Modellierung und Design, verschiedene spektroskopische Methoden, Elektronenmikroskopie, Strukturbiologie, Photobiologie und Rasterkraftmikroskopie.

Ein konkreter Arbeitsschwerpunkt ist die Steuerung von zellulären Vorgängen durch Licht – z. B. um Ionenströme über Membranen durch Licht anzutreiben. So konnten lichtgetriebene Ionenkanäle, die primär Natrium und Calcium leiten, mit anderen Kalium-leitenden Ionenkanälen funktional verknüpft werden, um neue Anwendungen in der Optogenetik zu ermöglichen.

In einem weiteren Arbeitsschwerpunkt gilt es, Proteinkomplexe zu modifizieren, die in der Natur für die Herstellung von pharmazeutisch relevanten Substanzen verantwortlich sind. So können die Syntheseverfahren der Natur zur Herstellung neuer Medikamente verwendet werden, um beispielsweise der Zunahme von Resistenzen gegen Antibiotika aktiv entgegenzuwirken.