Max Planck Institut für Biophysik Jahrbuchpublikationen

Haben Sie schon einmal an einer Schlaufe eines Kabelsalats gezogen und noch mehr Knoten erzeugt? Ein wahrer Verpackungskünstler in unserem Körper, das Protein Smc5/6, kann das, ohne ein unentwirrbares Chaos anzurichten. Smc5/6 hilft, unsere meterlange DNA knotenfrei in den winzigen Kernen unserer Zellen zu verstauen und die Aktivität unserer Gene zu steuern. Macht Smc5/6 Fehler, kann unser Erbmaterial geschädigt werden. Erbkrankheiten, Entwicklungsstörungen oder Krebs sind die Folge. Wenn wir verstehen, wie Smc5/6 funktioniert, können wir neue Ansatzpunkte für medizinische Therapien finden.

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.

Molekularen Sauerstoff gibt es in der Atmosphäre seit etwa drei Milliarden Jahren. Die Natur entwickelte zwei membranständige Enzymsysteme, welche im Rahmen der Zellatmung die in der Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser steckende Energie biologisch nutzbar machen: die Häm-Kupfer-Oxidasen, wie etwa die Cytochrom c-Oxidase, und die bd-Oxidasen. Die Strukturen von Vertretern beider Enzymfamilien wurden bestimmt. Die beiden evolutionär nicht verwandten Familien scheinen ähnliche Mechanismen zu nutzen, um Energie zu speichern und die Entstehung toxischer, reaktiver Sauerstoffspezies zu verhindern.

Molekulare Simulationen ermöglichen es, die Funktionsweise von Biomolekülen zu untersuchen. Dank ihrer enorm detaillierten Beschreibung, in der die Bewegung jedes einzelnen Atoms aufgelöst wird, gestattet die Simulation Interpretationen komplexer Experimente. Solche Simulationen ermöglichen es zudem, in Bereiche vorzudringen, die dem Experiment weitgehend verschlossen sind, etwa der detaillierten Auflösung von enzymatischen Reaktionsmechanismen. Außerdem können dank molekularer Simulationen durch Beobachtung von Proteinen „bei der Arbeit“ neuartige, fundamentale Prozesse entdeckt werden.

Bei der Zeugung erhalten wir von jedem Elternteil je einen Chromosomensatz und vererben entweder die väterliche oder die mütterliche Kopie (Allel) jedes Gens mit gleicher Wahrscheinlichkeit weiter an unsere Kinder. So zumindest lehrte Mendel. Der Hypothese Richard Dawkins‘ folgend, gibt es aber egoistische Gene, die sich nicht mit zufälliger Auswahl begnügen und die Chance ihrer Vererbung an die nächste Generation erheblich erhöhen. Einen Beleg für diese Annahme liefert ein Gen der Maus, das von männlichen Tieren mit einer Häufigkeit von bis zu 99% vererbt wird.

Die Lösung medizinischer Herausforderungen hängt besonders von der Vorhersage des Verhaltens komplexer biologischer Netzwerke, beispielsweise aktiver Netzwerke in Tumor- und anderen Geweben unter bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel während einer Krebstherapie, ab. Bisher ist es nicht möglich, den Erfolg einer Therapie vorherzusagen. Forscher sequenzieren daher das Genom einzelner Krebspatienten sowie das Genom und Transkriptom ihres Tumors als Basis für ein Computermodell eines virtuellen Patienten, um Wirkung und Nebenwirkungen von Therapien individuell vorhersagen zu können.

Die Abteilung ermittelt den molekularen Aufbau und die Funktion von Membranproteinen und Proteinkomplexen. Verwendet werden elektronenmikroskopische, röntgenkristallographische, biochemische und biophysikalische Methoden. Die Abteilung besteht aus der Arbeitsgruppe des Direktors Werner Kühlbrandt und den Projektgruppen von Janet Vonck und Özkan Yildiz. Hinzu kommen die selbstständigen Forschungsgruppen von Thomas Meier und Daniel Rhinow sowie die Gruppe von Christine Ziegler, die einem Ruf an die Universität Regensburg folgte. Im Folgenden werden aktuelle Ergebnisse der Abteilung vorgestellt.

Der wissenschaftliche Schwerpunkt der Forschungsgruppe liegt auf der systematischen Analyse der Modulation der Gen- und Proteinexpression. Dieser Prozess kann durch die Interaktion von Genen und natürlich vorkommenden Substanzen, wie sie in Nahrungsmitteln vorkommen, gezielt beeinflusst werden. Wir untersuchen, ob und durch welche Mechanismen Naturstoffe mit Genen und Genprodukten wechselwirken. Die Ergebnisse können für den optimierten Einsatz von Naturstoffen zur Verbesserung verschiedenster Stoffwechselprozesse von Nutzen sein.

Seit über 15 Jahren konzentriert sich die Genomforschung auf die Suche nach genetischen Risikofaktoren für Volkskrankheiten – mit magerem Erfolg. Jetzt richtet sich die Aufmerksamkeit auf seltene Krankheiten. Wissenschaftler der Abteilung Molekulare Humangenetik befassen sich bereits seit Jahren erfolgreich mit der Untersuchung seltener, genetisch bedingter Krankheiten. Durch neue Methoden zur DNA-Sequenzierung ist es jetzt möglich geworden, die molekularen Ursachen aller Ein-Gen-Krankheiten aufzuklären. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Diagnose, Prävention und Therapie.

Isoprenoide sind in allen Lebewesen an lebenswichtigen Prozessen beteiligt. Ihre Biosynthese verläuft über zwei C₅-Grundbausteine, die je nach Organismus über den Mevalonat- oder den Desoxyxylulose (DOXP)-Stoffwechselweg hergestellt werden. Der DOXP-Weg wird von einer Reihe von humanpathogenen Erregern, aber nicht vom Menschen verwendet und stellt somit ein attraktives Angriffsziel für anti-infektiöse Wirkstoffe dar, zum Beispiel gegen Malaria und Tuberkulose.

Spätmanifeste neurodegenerative Erkrankungen sind progressive Erkrankungen, die typischerweise im mittleren Lebensabschnitt beginnen und mit zunehmendem Alter in schwerwiegender neuronaler Degeneration resultieren. Obwohl das Vorkommen dieser Erkrankungen weltweit sehr hoch ist, sind die Mechanismen der Pathogenese noch nicht verstanden, und effektive therapeutische Strategien zur Heilung dieser verheerenden Krankheiten stehen bis heute nicht zur Verfügung.

Das neue Gebiet der Optogenetik beschreibt in erster Linie den Einsatz des Licht gesteuerten Ionenkanals, Channelrhodopsin 2 (ChR2), und der durch Licht getriebenen Cl-Pumpe Halorhodopsin (NphR) zur Stimulation und Inaktivierung von Nervenzellen in Kultur und im Gehirn von Tieren. Um das Anwendungsspektrum zu erweitern, haben wir unsere Forschung darauf konzentriert, neue und optimierte optogenetische Werkzeuge zu entwickeln.

Gib mir fünf, schlag ein, Guten Tag, Auf Wiedersehen - alles mit der Hand. Und dass die Hand fünf Finger hat, weiß jedes Kind. Aber nicht jedes Kind wird mit fünf Fingern geboren. Erblich bedingt, entstehen bisweilen Skelettfehlbildungen der Extremitäten. Eine davon, die Synpolydaktylie, beinhaltet, dass Patienten mit zusätzlichen Fingern geboren werden, wobei diese Finger zudem fusioniert sind. Das Krankheitsbild entsteht aufgrund einer Mutation im Hoxd13-Gen, die einen Retinsäuremangel nach sich zieht und somit zu unkontrollierter Produktion von Knorpelzellen an den falschen Stellen führt.

Die systematische Untersuchung von Protein-Protein-Wechselwirkungen ist ein wichtiger Teil der funktionellen Genomforschung. Eine Methode ist das Hefe-zwei-Hybrid-Verfahren, mit dem Millionen Kombinationen von Proteinpaaren auf mögliche Interaktionen geprüft werden können. Die gefundenen Interaktionen werden in Protein-Netzwerken dargestellt. Diese erlauben ein systembiologisches Verstehen molekularer Zusammenhänge innerhalb der Zelle und sind auch in der Medizin von Bedeutung. Mithilfe solcher Netzwerke können Krankheitsgene identifiziert und Patientendaten besser interpretiert werden.

Die Forschung in der Abteilung Strukturbiologie ist darauf fokussiert zu verstehen, wie die Strukturen von Membranproteinen –  möglichst im atomaren Maßstab – auf den Membrantransport und die biologische Energieumwandlung einwirken. Zu den wichtigsten Methoden gehören die Kristallographie (2D und 3D) von Membranproteinen, die Einzelpartikel-Elektronenmikroskopie und die Elektronen-Kryotomographie (cryo-ET) von biologischen Membranen. Bis auf wenige Ausnahmen werden alle Membranproteine für die Kristallographie sowie die Membranen oder Organelle für die Tomographie in der Abteilung hergestellt.

Die Nachbildung biologischer Prozesse im Computer bietet die Möglichkeit, durch gezielte virtuelle Störungen neue Effekte vorherzusagen, die dann im Experiment überprüft werden können. Solche Vorhersagen sind für viele praktische Anwendungen sehr nützlich, z.B. für die Entwicklung neuer Medikamente. In der Arbeitsgruppe Bioinformatik wurden in den letzten Jahren verschiedene Entwicklungen vorgenommen, die eine Modellierung von biologischen Prozessen unterstützen, wie z.B. eine Datenbank zur Integration humaner funktioneller Interaktionen (ConsensusPathDB) und das Modellierungssystem PyBioS.

Die Fülle der heute zur Verfügung stehenden Genomdaten einer Vielzahl von Lebewesen erlaubt die vergleichende Analyse ihrer DNA-Sequenzen. Solche Untersuchungen ermöglichen, die Evolution und Entwicklung der genomischen DNA-Sequenzen zurückzuverfolgen. Prozesse, die bei der Veränderung der genomischen DNA-Sequenzen von Säugetieren eine wichtige Rolle spielen, sowie deren Wechselspiel mit anderen zellulären Vorgängen, können so besser verstanden werden.

Die Lichtsteuerung von Nervenzellen mithilfe des Ionenkanals Channelrhodopsin2 (ChR2) und der Cl^--Pumpe Halorhodopsin (NphR) erfüllt einen lang gehegten Wunsch von Neurobiologen, denn mithilfe dieser Proteine können Neuronen in Kultur oder im Gehirn lebender Tiere, frei von jeder mechanischen Störung, mit bisher nicht erreichter Ortsauflösung durch Licht an- und abgeschaltet werden. Damit ergeben sich viele Anwendungen in der Grundlagenforschung bis hin zur Biomedizin, und der Grundstein war gelegt für das heute weltweit sich mit hohem Tempo entwickelnde Gebiet der Optogenetik.

Zentrales Thema der Gruppe Bioinformatik / Strukturelle Proteomforschung ist die bioinformatische Analyse und Vorhersage von Proteinstrukturen in Form von Netzwerken. Entwickelt werden Verfahren, aus diesen Netzwerken die 3D-Struktur zu rekonstruieren und die entscheidenden Kontakte in diesen Strukturnetzwerken zu ermitteln. Die interdisziplinären Arbeiten finden Anwendungen im Protein-Design und bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe.

Die Mesodermbildung ist ein Prozess der Embryonalentwicklung, der eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Rumpf und Organen in Säugetieren spielt. Er wird von mehreren interagierenden Signalkaskaden kontrolliert, die auch bei der Tumorprogression eine Rolle spielen. Mithilfe neuer Verfahren sollen die aus Tausenden von Genprodukten bestehenden Regelnetzwerke aufdeckt werden, die diesen Prozess im Embryo und in Tumoren kontrollieren.

Bei Mäusen wird der Geruchssinn durch mehr als 1200 olfaktorische Rezeptoren (englisch „odorant receptors“, OR) vermittelt, die die größte Genfamilie im Maus-Genom darstellen. Diese Geruchsrezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Von jeder olfaktorischen Nervenzelle (englisch „olfactory sensory neuron“, OSN) im Riechepithel wird angenommen, dass sie exakt ein Allel eines OR-Gens exprimiert. Axone der olfaktorischen Nervenzellen, die den gleichen Rezeptor exprimieren, vereinigen sich in denselben Strukturen des Bulbus olfactorius, den so genannten Glomeruli. Hier bilden sie Synapsen mit den Neuronen zweiter Ordnung der Riechbahn.

Die molekularbiologische Forschung gibt Einsicht in die Komponenten und Mechanismen der Wahrnehmung und Verarbeitung von Stress durch Zellen. Die mathematische Modellierung unterstützt das Verständnis grundlegender Prinzipien der Signalweiterleitung und Signalverarbeitung sowie von Sensitivität und Robustheit der Informationsübertragung und der damit einhergehenden Anpassung der Zellen. Zwei Beispiele werden für einen Modellorganismus, die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, vorgestellt.

Nach der Entschlüsselung des humanen Genoms stehen das Transkriptom, Proteom sowie Metabolom immer stärker im Vordergrund molekularbiologischer Forschung, weil deren Zusammenwirken die Ausprägung und Funktionsweise unserer Gene bestimmt. In diesem Zusammenhang haben neue, bahnbrechende Entdeckungen eine Art „Paradigmenwechsel“ der bisher beschriebenen Wirkungsweise von Hormonen eingeleitet und das Verständnis dieser Substanzen in der Zell- und Genregulation, insbesondere im Zusammenhang mit Krankheiten des Menschen, maßgeblich erweitert.

Die atomaren Strukturen eines bakteriellen Succinat:Chinon-Oxidoreduktase-Enzyms und mechanistisch interessanter Varianten, hergestellt durch gerichtete Mutagenese, wurden durch Röntgenstrukturanalyse bestimmt. Zusammen mit komplementären Funktionsuntersuchungen erlaubten diese den eindeutigen Beweis eines neuartigen Transmembranprotonentransfers, der in diesem Proteinkomplex Transmembranelektronentransfer ermöglicht.

1. Durch gezielte Mutagenese erzeugte Varianten des mitochondrialen Cytochrom-bc₁-Komplexes bilden schädliche Sauerstoffradikale, die mit Alterungsprozessen und neurodegenerativen Krankheiten in Verbindung gebracht werden. 2. Die Regulation des zellulären Ionenhaushalts durch Natrium-Protonen-Antiporter ist essentiell. Die erste atomare Struktur eines solchen Transporters wurde bestimmt und ein Modell für Regulations- und Transportmechanismen entwickelt.

Die Forschungsgruppe Entwicklung & Krankheit beschäftigt sich mit der Frage, wie angeborene Fehlbildungen entstehen und wie sie genetisch und entwicklungsbiologisch zu erklären sind. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit der klinisch-genetischen Abteilung des Instituts für Medizinische Genetik und der Kinderklinik der Charité, in der viele dieser Patienten behandelt werden. Ein Fokus unserer Untersuchungen liegt in der Erforschung der normalen und pathologischen Skelettentwicklung und ihrer genetischen Steuerung durch molekulare in vitro und in vivo Verfahren. In den letzten Jahren konnten neue Erkenntnisse über die Ursachen von Fehlbildungen der Extremitäten, insbesondere bei der Entwicklung von Gelenken, gewonnen werden. Umfangreiche genetische Screens haben neue Gene aufgezeigt, deren Funktion bei Krankheit, bei der normalen Entwicklung und während der Regeneration von Knochen und Knorpel untersucht wird.

Ribosomen übersetzen die genetische Information der DNA in die Aminosäuresequenz der Proteine; sie gehören zu den kompliziertesten Zellstrukturen. Hochauflösende Methoden wie Röntgenstrukturanalysen und Kryo-Elektronenmikroskopie sowie verfeinerte Funktionsmethoden haben in den letzten Jahren zu einer Umwälzung unseres Wissens geführt, sodass wir beginnen, die Funktionen der Translationsmaschine „Ribosom“ von der Struktur her abzuleiten.

Die Abteilung Strukturbiologie am MPI für Biophysik befasste sich in letzter Zeit besonders mit Membrantransport-Proteinen aus thermophilen Archaeen. Sie sind robuster als die Proteine aus Bakterien- oder Säugerzellen und eignen sich daher besonders für Struktur- und Funktionsuntersuchungen. Andererseits sind sie auf Grund ihrer Sequenzhomologie den eukaryontischen Proteinen ähnlich und dienen daher als gute Modelle für medizinisch relevante Systeme. Für ein Signalprotein, das in Bakterien und Archaeen den Transport von gebundenem Stickstoff durch die Membran regelt, wurde die Struktur in drei verschiedenen Zuständen bestimmt und der Regulationsmechanismus aufgeklärt. Außerdem wurden pH- und Ionen-induzierte Konformationsänderungen von zwei verschiedenen Natrium-Protonen-Austauschproteinen sowie des Außenmembran-Porins OmpG aus E. coli untersucht.

Transkriptionsfaktoren spielen eine zentrale Rolle bei der Regulation von Genen. Die Abteilung Bioinformatik am MPI für molekulare Genetik nutzt verschiedene mathematische Methoden, um die Funktion und das Zusammenspiel von Transkriptionsfaktoren zu untersuchen und so weiterführende Erkenntnisse über die Regulation von Genen zu erhalten.

Der Sequenzierung des Humangenoms verdanken wir genaue und weit reichende Informationen über die Komplexität biologischer Prozesse. Der Vergleich von Human- und Schimpansengenom führt zu einem besseren Verständnis molekularer Abläufe im Organismus, wodurch Beiträge zu einer Optimierung der Diagnostik und Therapie von Krankheiten geleistet werden können.

Phototaktische Reaktionen der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii werden durch mikrobielle Rhodopsine als Photorezeptoren initiiert , deren Chromophor Retinal ist. Sequenzvergleiche mit anderen mikrobiellen Rhodopsinen aus Archebakterien – wie den lichtgetriebenen Ionenpumpen Bakteriorhodopsin und Halorhodopsin – zeigen eine Homologie von 15 bis 20 % mit zwei der Algenrhodopsine. Die hydrophobe N-terminale Hälfte mit circa 300 von 712 bzw. 737 Aminosäuren besteht jedoch aus einem hypothetischen Siebentransmembranhelixmotiv, wie dies für Rhodopsinmoleküle typisch ist. Ebenso wichtig ist es, dass einige Aminosäuren konserviert sind, die die Retinalbindungstasche und den Protonentransportweg des Bakteriorhodopsins darstellen. Kürzlich konnten wir zeigen, dass zwei dieser retinalbindenden Proteine aus dem Augenfleck der Alge nach Expression in Oozyten des südafrikanischen Krallenfrosches Xenopus laevis oder in HEK 293-Zellen lichtaktivierte Ionenkanaleigenschaften aufweisen. Die beiden Proteine wurden deshalb von uns Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin-2 (ChR1 und ChR2) genannt. ChR1 ist ein selektiver Protonenkanal, während ChR2 neben Protonen eine Reihe ein- bzw. zweiwertiger Kationen leitet. Für beide Rhodopsine reicht die N-terminale Hälfte für die lichtgesteuerte Ionenkanalaktivität aus, womit wir demonstrieren konnten, dass das Siebentransmembranhelixmotiv eine neue Klasse von Ionenkanälen darstellt.

Die geistige Behinderung ist das größte ungelöste Problem der medizinischen Genetik, und auf die medizinische Versorgung und Betreuung von geistig Behinderten entfällt ein erheblicher Teil der Gesamtaufwendungen für die Krankenversorgung. Den meisten schweren Formen der geistigen Behinderung liegen Chromosomenveränderungen oder Gendefekte zugrunde, jedoch ist erst ein geringer Prozentsatz dieser Defekte bekannt. Zur Kartierung und Identifikation der beteiligten genetischen Faktoren verfolgen wir vier verschiedene komplementäre Strategien: 1. die Untersuchung von Patienten mit balancierten Chromosomenaberrationen, 2. die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur hochauflösenden Erkennung unbalancierter Veränderungen in der DNS, 3. die systematische Suche nach Mutationen in Familien mit X-chromosomal vererbter geistiger Behinderung und 4. die Kartierung autosomal rezessiver Gendefekte durch Identifizierung homozygoter Genomabschnitte bei Kindern blutsverwandter Eltern. In den vergangenen Jahren konnten wir bereits zahlreiche molekulare Ursachen für kognitive Störungen identifizieren. Von der Charakterisierung dieser Gene versprechen wir uns wesentliche Fortschritte für die Diagnose und Prävention der geistigen Behinderung sowie neue Einblicke in die normale und gestörte Hirnentwicklung und -funktion.

Die Entwicklung der Körperanlage mit ihren Organen wird durch eine Vielzahl komplexer Regelmechanismen gesteuert, die einem streng kontrollierten Ablauf folgen. Am Anfang dieser Ereigneisse steht die Mesenchymbildung, ein Vorgang, der Ähnlichkeiten zur Metastasierung von Tumoren aufweist. Mithilfe neuer Verfahren sollen regulatorische Netzwerke aufgedeckt werden, die Mesenchymbildung und Gewebedifferenzierung kontrollieren.

Der Ein-Kohlenstoff (C₁)-Überträger Tetrahydromethanopterin (H₄MPT), der als Cofaktor nicht-kovalent an bestimmte Proteine bindet, gewann in den letzten Jahren stark an Bedeutung, da er in immer mehr phylogenetisch deutlich verschiedenen Mikroorganismen entdeckt wurde und dort eine herausgehobene Rolle im C₁-Stoffwechsel spielt. Seine Struktur ähnelt interessanterweise derjenigen des Tetrahydrofolats (H₄F), dem am vielseitigsten verwendeten C₁-Überträger in der Biochemie, wobei sich H₄MPT und H₄F höchstwahrscheinlich unabhängig voneinander im Rahmen einer konvergenten Evolution entwickelt haben. Die Art, wie H₄MPT an Enzyme bindet – erst seit kurzem für zwei Systeme auf molekularer Ebene bekannt – soll hier vorgestellt werden.

Die Abteilung Strukturbiologie am Max-Planck-Institut für Biophysik befasst sich mit der Struktur und den molekularen Mechanismen von Transportproteinen in der Zellmembran. Die Membranproteine werden isoliert oder in geeigneten Systemen exprimiert und ihre Strukturen werden mit den Methoden der Elektronenmikroskopie oder Röntgenkristallographie bestimmt. Die 2.5 Å-Röntgenstruktur des Lichtsammlerkomplexes LHC-II zeigt zwei verschiedene Schutzmechanismen, durch die eine Beschädigung des Photosynthese-Apparates der Pflanzen bei zu hoher Lichteinwirkung verhindert wird. Die dreidimensionale Dichtekarte eines neuronalen Ionenkanals, die mithilfe der elektronenmikroskopischen Einzelpartikel-Analyse bestimmt wurde, legt die Position der α- und β-Untereinheit im funktionalen Komplex fest. Die 8 Å-Dichtekarte des bakteriellen SecYEG-Proteintransportkomplexes in der Membran gibt Hinweise auf die ersten Schritte der Protein-Translokation. Elektronenmikroskopische Studien der Protein-Translokase-Komplexe der äußeren und inneren Mitochondrienmembran zeigen eine Doppelpore. Zweidimensionale Kristalle verschiedener Sekundärtransporter ergeben unterschiedliche Anordnungen der Transmembran-Helices, was auf unterschiedliche Transportmechanismen hinweist.