Strukturbiologie

Im Baukasten des Lebens

Wie sind biologische Makromoleküle aufgebaut? Und mit welchen Methoden lassen sich Vorgänge in Zellen am besten sichtbar machen? Am 1./ 2. September findet an der Universität Zürich das 9. Internationale Symposium über aktuelle Forschungstrends in der Strukturbiologie statt. Markus Grütter, Professor für Biochemie und Mitorganisator, sagt, wohin die Reise geht.

Interview: Roland Gysin

UZH News: Strukturbiologen gehen dem Leben auf den Grund. Sie untersuchen den dreidimensionalen Aufbau von Makromolekülen. An der Universität Zürich findet diese Woche zum neunten Mal ein Symposium über die neuesten Forschungstrends statt. Worum geht es?

Markus Grütter: Grundsätzlich geht es um zwei Fragen: Erstens um aktuelle Ergebnisse von Forschungen über die Architektur  und Funktionsweise sogenannter «supramolekularer Komplexe».

Ein solcher, wichtiger supramolekularer Komplex in lebenden Zellen ist das Ribosom. In dieser Maschinerie entstehen Proteine. Der Mechanismus der Proteinsynthese in Ribosomen ist ein fundamentaler zellulärer Prozess und  konnte aufgrund von Kristallstrukturen von Ribosomen in den letzten Jahren aufgeklärt werden. Dies ist eines der Themen des Kongresses.

Markus Grütter, Biochemiker: «Auch wenn wir Grundlagenforschung betreiben, dürften unsere Forschungsergebnisse Fortschritte in der Medizin beflügeln.» (Bild: Roland Gysin)

Die zweite bedeutende Frage, welche die Strukturbiologie beschäftigt, ist wie die Weitergabe von Informationen von aussen ins Zellinnere und umgekehrt aus dem Zellinneren hinaus funktioniert. Und welche Informationen weshalb weitergegeben werden. Verantwortlich für diese Prozesse sind sogenannte Membranproteine, die um ihre Funktion ausführen zu können ihre dreidimensionale Struktur verändern. Die Herausforderung besteht darin, diese Strukturänderungen sichtbar zu machen,  zu charakterisieren und damit ihre Mechanismen zu verstehen. In mehreren Vorträgen werden neueste Erkenntnisse über die Struktur und Funktion von Membranproteinen vorgestellt.

Viele zelluläre Prozesse lassen sich zwar modellhaft darstellen, es bestehen aber Schwierigkeiten, sie quasi live zu beobachten. Es geht um das Problem der Sichtbarkeit. Wo steht da die Forschung?

Die wichtigsten Methoden Strukturen von Makromolekülen zu bestimmen sind die Röntgenstrukturanalyse, die Magnetresonanzspektroskopie und die Elektronenmikroskopie.

Die Elektronenmikroskopie ist eine Technik, die in den letzten Jahren eine erstaunliche Entwicklung erfahren hat. Sie erlaubt inzwischen, grosse Strukturen in ganzen Zellen und in ihrer natürlichen Umgebung abzubilden. Der Methode wird auch ein grosses Zukunftspotential zugeschrieben.

Mit Ohad Medaliaarbeitet am Biochemischen Institut der Universität Zürich seit November 2010 ein ausgewiesener, international renommierter Spezialist auf diesem noch jungen Gebiet. Er wird am Symposium anhand seiner neuesten Forschungsarbeiten die Möglichkeiten der Abbildung von Proteinkomplexen in Zellen aufzeigen.

Strukturbiologen betreiben Grundlagenforschung. Die Universität Zürich ist auch Heiminstitution des Nationalen Forschungsschwerpunktes, kurz NFS, Strukturbiologie. Dieser existiert seit 2001. Wo stehen Sie heute?

Die komplexe Dramaturgie der Eiweissmoleküle,  – Enzyme, Botenstoffe, Rezeptoren und Strukturproteine –, entscheidet über Gesundheit und Krankheit. Auch wenn wir Grundlagenforschung betreiben, die sehr lange dauern kann, dürften unsere Forschungsergebnisse Fortschritte in der Medizin beflügeln.

Interessant ist zum Beispiel die Forschung auf dem Gebiet der «G-Protein-gekoppelten Rezeptoren». Das sind Rezeptoren, die auf der Aussenseite von Zellen bestimmte Moleküle binden, daraufhin ihre dreidimensionale Struktur ändern und im Zellinnern aktivierte G-Proteine freisetzen, die als Signalgeber im Zellinnern wirken. Diese Rezeptoren spielen eine entscheidende Rolle, unter anderem in der Immunologie und Neurobiologie. Strukturen von G-Protein- gekoppelten Rezeptoren sind erst seit Kurzem verfügbar. Sie werden in Zukunft für die Entwicklung von Medikamenten genutzt werden.

Die Finanzierung des NFS Strukturbiologie ist bis 2013 sicher gestellt. Was geschieht danach?

Die Idee der NFS ist, nach maximal zwölf Jahren die Forschungen so weit vorangetrieben zu haben, dass eine eigenständige Finanzierung möglich ist. Unser langfristiges Ziel ist es deshalb, die bestehenden Wissenschaftsgruppen zusammenzuhalten und für die Zeit nach dem NFS ein Zentrum für «Protein Science» auf die Beine zu stellen.

Wovon träumt der Direktor des NFS Strukturbiologie?

Mein Traum wäre es, eine Methode zu haben, mit der sich Makromoleküle im atomaren Detail abbilden lassen. Die Funktionsweise von Biomolekülen könnte man dann direkt beobachten und durch gezielte Eingriffe beeinflussen. Das würde unser Verständnis über die Funktion von Proteinen und generell über zelluläre Prozesse revolutionieren.

Nationaler Forschungsschwerpunkt: Strukturbiologie 

Der Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) «Strukturbiologie – Molekulare Lebenswissenschaften: Dreidimensionale Struktur, Faltung und Interaktionen» erforscht die Struktur von Makromolekülen, vor allem Membranproteinen und supramolekularen Komplexen. Die Kenntnis der dreidimensionalen Struktur von Proteinen, ihrer Faltung und Interaktion mit anderen Molekülen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis grundlegender Lebensvorgänge wie auch für die Entwicklung von innovativen Medikamenten. Heiminstitution ist die Universität Zürich. Der NFS Strukturbiologie wurde vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) 2001 initiiert. Heute umfasst das Netzwerk 14 Forschergruppen.

Roland Gysin ist Leiter Publishing UZH.

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