Max-Planck-Institut für Biophysik

Max-Planck-Forschende decken auf, wie Phosphat aus Aktinfilamenten freikommt

Illustration auf dem Cover der Fachzeitschrift Nature Chemical Biology unterstreicht Bedeutung der Entdeckung

Forschende beobachten Strukturveränderung von Ribosomen und deren Wechselwirkungen mit einem Krebsmedikament während der Übersetzung des genetischen Codes in Proteine

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft ehrt Bonnie J. Murphy und Giulio Malavolta mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis

Dynamisches Netzwerk in den Poren der Zellkernhülle blockt gefährliche Eindringlinge ab

Im Freundeskreis diskutieren, ein Konzert genießen, bei Straßenlärm telefonieren – Menschen mit Hörproblemen bleiben alltägliche Höreindrücke oft verwehrt. Tobias Moser will den Betroffenen mit einer neuen Generation von Hörhilfen neue Klangwelten zugänglich machen. Die sogenannten optischen Cochlea-Implantate sind ein Beispiel für Therapien, die auf Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung beruhen.

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sieht nicht viel mit ihrem nur aus lichtempfindlichen Rhodopsin-Molekülen bestehenden Auge. Das Algenrhodopsin hat es aber trotzdem in sich. Es hat in den letzten Jahren eine Revolution in der Neurobiologie ausgelöst. Ernst Bamberg vom Max-Planck Institut für Biophysik in Frankfurt hat mitgeholfen, es berühmt zu machen. Er erforscht nun die Moleküle und entwickelt neue Varianten für die Grundlagenforschung und die Medizin.

Peter Mombaerts kennt sich in Welt der Moleküle, der Gene, der zellulären Signale ebenso gut aus wie in der Welt der Düfte. Der Belgier, mittlerweile Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt/Main, zählt zu jenen Forschern, die den Weg eines Duftstoffes durch Nase und Gehirn aufgeklärt haben – zumindest in seinen Grundzügen.

Die Steuerzentralen unserer Zellen sind ihre Kerne mit dem darin gespeicherten Erbgut. Kernporen bilden die einzigen Verbindungstüren durch die Kernhülle. Sie lassen nur wichtige Botenstoffe durch, nicht aber gefährliche Eindringlinge wie beispielsweise Krankheitserreger. Die Poren helfen dem Kern, mit anderen Zellbestandteilen zu kommunizieren und das genetische Material zu schützen. Diese anspruchsvolle Aufgabe verlangt einen komplexen Aufbau, der viele Köpfe seit zwei Dekaden beschäftigt; ein angefangenes Puzzle mit fehlenden Teilen, das wir nun nahezu vollständig lösen konnten.

Elektronen-Cryomikroskopie (CryoEM) ist die Methode der Wahl zur Bestimmung der Struktur von Membranproteinkomplexen, die für die Röntgenkristallographie zu instabil oder zu dynamisch sind. Intakte ATP-Synthasen beispielsweise konnten bislang einer Kristallisation widerstehen, dank CryoEM sind aber nun zentrale Aspekte ihrer Mechanismen deutlich geworden. Die beiden am besten aufgelösten und damit informativsten Strukturen, und zwar die der Chloroplasten ATP-Synthase und eines Dimers der mitochondrialen ATP-Synthase, kommen aus unserer Abteilung.

Flavin-basierte Elektronen-bifurkierende (FBEB)-Enzymkomplexe spielen eine vitale Rolle in obligat anaeroben Mikroorganismen zur Effizienzsteigerung ihres Energiestoffwechsels. Sie treiben eine endergone durch eine exergone Reduktion mit dem gleichen Reduktionsmittel an. Die Energiekopplung erfolgt durch ein reduziertes Flavin, das durch Energieaufspaltung ein stark und ein schwach reduzierendes Elektron auf zwei verschiedene Substrate überträgt. Wie FBEB-Enzymkomplexe strukturell konstruiert sind, soll am Beispiel zweier Acyl-CoA-Dehydrogenase/Elektrontransfer-Flavoproteine dargelegt werden.

Zellen werden von Lipidmembranen umhüllt und strukturiert. Dabei stellen sich zwei wesentliche Fragen: Wie erhalten Membranen ihre oft ungewöhnliche Form und wie erfolgt deren Qualitätskontrolle? Dank molekularer und coarse-grained Simulationen konnten wir zeigen, wie die Proteine Mga2 and Ire1 den Zustand des endoplasmatischen Retikulums bestimmen. Auch hinsichtlich der Fusion von Vesikeln, der Bildung von Röhrchenstrukturen im endoplasmatischen Retikulum und der Induktion von Autophagosomen durch einen als Atg1 bezeichneten Komplex gewannen wir mittels Simulationen neue Einsichten.

Die vollständige Struktur der dimeren F₁F_o-ATP-Synthase aus Mitochondrien der Hefe Yarrowia lipolytica wurde mittels einer Kombination von cryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) und Röntgenkristallographie aufgeklärt. Die Struktur zeigt 58 der 60 Untereinheiten im dimeren Komplex. Horizontale Helices der Untereinheit a im F_o- Subkomplex legen sich um den c-Ring-Rotor. Insgesamt sechs senkrechte Helices durchspannen die Membran. Unsere Strukturuntersuchung erklärt die strukturelle Basis der Cristae-Bildung in Mitochondrien, ein wichtiger morphologischer Aspekt eukaryotischer Zellen.