HALOmem - membrane protein structure & dynamics - Halle

Das Zentrum für Innovationskompetenz

 

Lebende Zellen werden durch eine äußere Biomembran begrenzt. Jede Kommunikation der Zelle mit ihrer Umgebung wird durch die in dieser Membran verankerten Proteine dominiert. Daher stellen Membranproteine die idealen Zielmoleküle für die Wirkstoffforschung dar. Für eine zügige Medikamentenentwicklung sind grundlegende Kenntnisse zur molekularen Funktionsweise dieser wichtigen Proteinfamilie essentiell. In der ersten Förderphase wurden im ZIK HALOmem wichtige Grundlagen zur Strukturbiologie von Membranproteinen gelegt. In vielen Fällen stellen aber Membranproteine Teile großer makromolekularer Komplexe dar. Dies ist nicht nur von akademischer Relevanz, sondern vielmehr hängt die Wechselwirkung eines potentiellen Therapeutikums stark davon ab, ob das Zielprotein isoliert oder in einem Molekülverband vorliegt. Die Charakterisierung von Membranproteinkomplexen ist daher in der zweiten Förderphase richtungsweisend für die Forschungsziele des ZIK HALOmem.

Die Ziele

Im Zentrum für Innovationskompetenz HALOmem werden an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg die Weichen für die Untersuchung der Struktur und Dynamik von Membranproteinen sowie ihrer Komplexe gestellt. HALOmem nutzt die Synergien zwischen den anwendungsbezogenen und analytischen sowie den biochemisch und physikochemisch arbeitenden Gruppen, um medizinisch relevante (in vivo), experimentell zugängliche (in vitro) und computergestützte (in silico) Ansätze zu verfolgen. Auf diese Weise wird die Forschung auf das Verständnis und die Behandlung von Krankheiten, an denen Membranproteine beteiligt sind, ausgerichtet.

Die thematischen Schwerpunkte

Seit der ersten Förderphase des ZIK HALOmem (2009 – 2015) wird die Synergie der folgenden Themen und Methoden zur Strukturanalyse der Membranproteine genutzt:

  • Biophysikalische Chemie
    Es werden Methoden zur Charakterisierung von Protein-Membran-Wechselwirkungen und Membranproteinrekonstitutionen in verschiedenen Modellmembransystemen entwickelt. Mit Hilfe von Methoden wie Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie, Fluoreszenzmikroskopiemethoden und Kryo-Elektronenmikroskopie werden chemische Struktur-Funktionsbeziehungen, molekulare Interaktionen und Bindungen, laterale Segregation in Membranen, Membranverformungsprozesse und die intrazelluläre Transportvesikelbildung durch den COPII-Komplex untersucht.
  • Biophysik
    Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit hochauflösender NMR-Spektroskopie von Biomolekülen, der biophysikalischen Charakterisierung der Proteinfaltung sowie mit zeitaufgelöster NMR-Spektroskopie zur Untersuchung von Proteinreaktionen. Mit diesen Methoden versuchen wir die Strukturbildung sowie die Struktur- und Dynamik-Wirkungsbeziehung von Proteinen und ihren Zielmolekülen zu verstehen.
  • Physikalische Biotechnologie
    Hauptinteresse der Arbeitsgruppe ist die Strukturaufklärung therapeutisch relevanter biologischer Makromoleküle, mit besonderem Blick darauf, wie sich Proteine an ihre Umgebung durch konformationelle Umwandlungen anpassen. Durch das ZIK HALOmem wurden einige membranständige Enzyme in das Portfolio aufgenommen, unter anderem die humane Vitamin-K-Epoxid-Reduktase (hVKOR, essenziell für die Blutgerinnung) und Mitglieder der aromatischen Prenyltransferase-Familie (verantwortlich u.a. für die Biosynthese von Vitamin K).
  • Membranproteinbiochemie
    Die Transportmechanismen von b-barrel-Proteinen der äußeren Zellmembran von Pathogenen, deren Interaktion mit Toll-like Rezeptoren (TLRs) sowie die Transportmechanismen von a-helikalen Multidrug-Resistenz (MDR)-Transportern werden mithilfe von biochemischen, biophysikalischen und strukturellen Methoden untersucht. Die biochemische und strukturelle Charakterisierung dieser Zielproteine und ihrer Interaktionen soll helfen, zukünftige medizinische Anwendungen (z.B. Impfstoffe) zu entwickeln und zu verbessern. In diesem Zusammenhang stellt HALOmem Grundlagenwissen über die Proteinmoleküle und ihre Funktionen bereit. Weiterhin konnte eine schlagkräftige technologische Plattform für die Strukturbestimmung von Membranproteinen am ZIK HALOmem etabliert werden.

    Mit einer von den beiden ersten HALOmem-Nachwuchsgruppen gemeinsam entwickelten und durch einen Hugo-Junkers-Innovationspreis ausgezeichneten Methode lassen sich Membranproteinrekonstitutionen schnell und materialeffizient mittels 2-Farben-Fluoreszenz-Kreuzkorrelationsspektroskopie (FCCS) optimieren. Die Methode ist vielseitig auf Rekonstitutionen in Liposomen und in Nanodiscs anwendbar.

In der jetzigen zweiten Förderphase wird HALOmem um zwei weitere wissenschaftliche Nachwuchsgruppen erweitert:

  • Die Nachwuchsgruppe „Kryo-Elektronenmikroskopie an Membranproteinkomplexen“ arbeitet an der Aufklärung biomolekularer „Maschinen“. Verschiedene zelluläre Membranen können als Rückgrat bei einer Assemblierung von Enzymen fungieren, die gemeinsam in einem Reaktionszyklus involviert sind. Sie bilden ein Metabolon, dessen Größe im Megadaltonbereich liegt. Als Beispiel für die Weiterentwicklung der strukturbiologischen Analyse wird bei HALOmem das Metabolon der Pyruvatoxidation in Mitochondrien dienen. Subzelluläre Extrakte werden ohne weitere Aufreinigung mit der hocheffizienten Methode der Kryo-Elektronenmikroskopie auf Proteinkomponenten, Interaktionspartner und Membranbestandteile analysiert. Das Zusammenspiel von Kryo-Elektronenmikroskopie und computergestützter Strukturbiologie ermöglicht das Auffinden von bisher unbekannten wichtigen zellulären Reaktionspartnern. Diese Information ist ein weiterer Schritt zur Entwicklung neuer Wirkstoffe.
  • Die Nachwuchsgruppe „Biophysikalische Charakterisierung medizinisch relevanter Membranproteine“ befasst sich mit der strukturellen Aufklärung von Protein-Lipid-Komplexen in der neuronalen Synapse. Dies beinhaltet vor allem die Membranproteine in synaptischen Vesikeln, aber auch die Proteine, die in der präsynaptischen Membran verankert sind. Da konventionelle strukturbiologische Methoden in ihrer Anwendung auf große, heterogene und dynamische Membranprotein-Komplexe limitiert sind, wird eine alternative Methodik – die Massenspektrometrie – angewendet. Massenspektrometrische Methoden werden folglich angewendet und weiterentwickelt, um Protein-Lipid-Interaktionen in neuronalen Synapsen aufzudecken. Dies ist vor allem in Bezug auf neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson von Interesse, bei welchen diese Interaktionen in veränderter Form vorliegen. Die etablierten Methoden sollen außerdem die Strukturanalyse von weiteren relevanten Membranprotein-Komplexen voranbringen.

Die Partner

  • Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle
  • Max Planck Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
  • Kings College London, Vereinigtes Königreich
  • Freie Universität Berlin
  • Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
  • Durham University, Vereinigtes Königreich
  • EMBL, Heidelberg
  • Universität Utrecht, Niederlande
  • Technische Universität, Berlin
  • Leibniz-Institut für Alternsforschung, Jena
  • McGill University, Kanada
  • Universität Basel, Schweiz
  • Oxford University, Vereinigtes Königreich
  • University of Leeds, Vereinigtes Königreich

Kontakt

Prof. Dr. Milton T. Stubbs
Sprecher des ZIK HALOmem
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Institut für Biochemie und Biotechnologie
Kurth-Mothes-Straße 3
06120 Halle
Tel.: (0345) 55 24 901
Fax: (0345) 55 27 013
E-Mail: info[at]halomem.de
http://halomem.de/
 

Zum Beitrag "Neues Zentrum für die Proteinforschung" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"

 

Ein Porträt der Nachwuchsgruppenleiterin Prof. Dr. Kirsten Bacia lesen Sie hier.