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Forschungsbereich E: Methoden zur Analytik makromolekularer Komplexe

Um Leben zu verstehen, ist es erforderlich, die Änderungen makromolekularer Komplexe in drei Dimensionen als Funktion der Zeit zu verfolgen. Im CEF werden dazu alle zurzeit verfügbaren Methoden auf höchstem Niveau weiter entwickelt: Kristallographie, NMR-Spektroskopie, Cryo-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 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 ort- und zeitaufgelöste spektrale Verfahren.

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. 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 beschränkte 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.

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 vorangetrieben. 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 bis 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 ideale 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 Ernst 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 er zum Beispiel die Entstehung des Auges in der Entwicklung einer Fruchtfliege live verfolgen. Die Arbeitsgruppen von Ernst Stelzer und Achilleas Frangakis entwickeln zudem eine Methode, die komplementäre Methoden der Licht- und Elektronenmikroskopie kombiniert.

Die sinnvolle Anwendbarkeit von Modellorganismen zur Untersuchung bestimmter Fragestellungen hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel Generationszeit, Verfügbarkeit einer vollständigen Genomsequenz und einfache Erzeugung von genomischen 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 eukaryontische Modellorganismen etabliert.