Das Max-Planck-Institut für Biophysik

Institutsprofil

Schätzungen zufolge befinden sich zwischen 30 und 40 Prozent aller zellulären Proteine in der nichtwässrigen Umgebung der Lipidmembranen. Hier nehmen diese sogenannten Membranproteine entscheidende metabolische Aufgaben wahr und regeln die Übertragung von Informationen und Stoffen in und aus der Zelle hinaus. Dadurch dass diese Proteine Prozesse wie Nahrungsaufnahme, Arzneimittelweiterleitung, Atmung, sensorisch-physiologische, endokrine sowie Immunitäts- und Nerven-Funktionen steuern, sind sie die zentralen Ausrichter bzw. Regulatoren bei zahlreichen Krankheitszuständen und bei durch äußere Faktoren krankmachenden Wechselwirkungen. Um nun solche Prozesse zu verstehen und gegebenfalls effektiv zu steuern, ist es unerläßlich, diese Aktivitäten der respektiven Membranprotein-Komponenten auf molekularer Ebene zu kennen.

Da die Membranen jedoch starken hydrophoben Charakter aufweisen, ist es extrem schwierig, Membranproteine zu isolieren und zu charakterisieren, mit der Folge, dass man bisher über Membranproteine viel weniger weiß als über die wasserlöslichen Proteine. Genau diese Lücken über detaillierte Struktur- und Funktionsinformationen zu füllen ist die dringlichste Herausforderung der modernen Biologie. Die vier Abteilungen des Max-Planck-Instituts für Biophysik wenden für diese Herausforderungen an die Biologie der Membranproteine eine Vielzahl von Komplementär-Techniken an. Die zu erforschenden Zusammenhänge der individuellen Projekte reichen vom organismischen bis zum atomaren Bereich, immer mit dem Ziel vor Augen, auf allen Prozess-Stufen zusammenhängende Teile zu einem ganzen Bild zusammenzufügen.

Seit 1987 arbeitet die Abteilung für Molekulare Membranbiologie vor allem mit der Methode der Röntgenkristallographie. Unter ihrem Direktor, Hartmut Michel (Nobelpreis für Chemie 1988 für die erste Strukturbestimmung eines Membranproteins) hat man die Struktur und die Mechanismen von drei der vier Elektronen-Transfer-Komplexen der Atmungskette aufgezeigt und man ist unter anderem damit beschäftigt, Strukturen von Sekundärtransportern und G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) aufzuklären. Die Elektronenmikroskopie an zweidimensionalen Kristallen und die Einzelpartikelanalyse für besonders große Proteinkomplexe werden seit 1996 in der Abteilung für Strukturbiologie unter der Leitung von Werner Kühlbrandt angewandt. Interessante Projektbereiche umfassen die Strukturen von Transport-Proteinen, wie z. B. ATPasen, Symporter, Antiporter und Translokon-Komplexe sowie photosynthetische Komplexe bei Pflanzen. Die 1993 gegründete Abteilung für Biophysikalische Chemie, unter der Leitung von Ernst Bamberg, wendet hochpräzise elektrophysiologische und spektroskopische Methoden an, um direkt die Mechanismen z. B. der Dynamik aktiver Ionenpumpen und Transportern direkt in der Lipidmembran aufzuklären. Diese Informationen über die Transportzyklen erhält man mit Messungen direkt an lebenden Zellen als auch in vitro mithilfe der sogenannten “solid supported bilayer”-Technik. Die Abteilung für Theoretische Biophysik wurde 2013 von Gerhard Hummer gegründet und untersucht die Struktur, Stabilität, Dynamik und Funktion von Biomolekülen und deren Komplexen mittels Theorie und Simulation. Biomolekulare Systeme werden mit Methoden der statistischen Physik und Quantenchemie untersucht. Molekulardynamische Berechnungen und Monte-Carlo-Simulationen bilden die Grundlage für die Entwicklung detaillierter atomarer Beschreibungen zentraler biomolekarer Prozesse, von der biologischen Energieumwandlung über den zellulären Transport zur Signaltransduktion.

Zur Geschichte des Instituts

Das Institut hat seinen Ursprung im „Institut für Physikalische Grundlagen der Medizin“, das 1921 von Frankfurter Bürgern in Rahmen der Henry-Oswalt Stiftung gegründet wurde. Friedrich Dessauer, ein Anhänger von Wilhelm Röntgen, der den Nutzen der Strahlenphysik für die Medizin und Biologie erkundete, wurde Direktor dieses Instituts. Jedoch als konservatives Parlamentsmitglied der demokratischen Zentrumspartei widersprach Dessauer der Machtübernahme durch die Nationalsozialisten, weshalb er 1934 zur Emigration gezwungen wurde. Sein Kollege und langjähriger Mitarbeiter, Boris Rajewsky wurde 1937 sein Nachfolger und Gründer des “Kaiser Wilhelm Instituts für Biophysik”. Es war Mitglied der “Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V.”, die 1911 gegründet worden war. Rajewsky prägte den Begriff “Biophysik”, der bis heute namensgebend erhalten blieb.

Von diesen Anfängen bis in die 60er Jahre untersuchten die Wissenschaftler am Institut hauptsächlich biologische und medizinische Effekte ionisierender Strahlung. Im Februar 1948 wurde dann mit der Gründung der “Max-Plank-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V.” unter der Präsidentschaft von Otto Hahn das Institut neu etabliert als “Max-Planck-Institut für Biophysik”.

In den 60- und 70-er Jahren wechselte die Zielrichtung der Forschung am Institut auf die Untersuchung des Transports gelöste Stoffe durch biologische und künstliche Membranen. So wurde zu dieser Zeit das neue Gebiet der Zellphysiologie erfolgreich erforscht, hier besonders die Funktionseigenschaften der Zellmembran und ihrer Proteine. Das Institut wurde weltweit ein attraktives Zentrum für die Membranforschung. Die herrliche alte „Villa Speyer“ in der Kennedyallee 70, ein unter Denkmalschutz stehendes Gebäude, war für die drei expandierenden Abteilungen zu klein geworden, so dass ein weiteres Gebäude für zwei Abteilungen 1972 hinzukam. Der sogenannte “Blaue Turm” lag gegenüber dem Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Nähe der Universitätsklinik. Es bestand jedoch die Notwendigkeit, alle Abteilungen unter einem Dach zu vereinen. So erhielt das Max-Planck-Institut für Biophysik schließlich im April 2003 ein neues Gebäude auf dem Campus „Riedberg“ der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt. Dies hat zu einer Intensivierung der wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen und Forschungsstipendiaten der biologischen, chemischen und physikalischen Laboratorien der Universität geführt.

Kontaktinformationen:

Max-Planck-Institut für Biophysik

Max-von-Laue-Straße 3
60438 Frankfurt am Main

Tel.: +49 (0) 69 6303-0
Fax: +49 (0) 69 6303-4502
E-Mail: info(at)biophys.mpg.de

Molekulare Membranbiologie
Prof. Dr. Dr. h.c. Hartmut Michel, Direktor

Struktur- und Funktionsuntersu- chungen an Membranproteinen der Atmungskette und Photosynthese sowie an Rezeptoren; Überexpres- sion, Kristallisation und Röntgen- strukturanalyse, elektrostatische Berechnungen (Michel).

Biophysikalische Chemie
Prof. Dr. Ernst Bamberg, Direktor

Funktionsanalyse primär und sekundär aktiv transportierender Membranproteine (lichtgetriebene Pumpen und Transport-ATPasen bzw. Carrier und Antiporter). Stationäre und zeitaufgelöste elektrische bzw. elektrophysiologische Methoden in Kombination mit zeitaufgelösten Fluoreszenztechniken unter Voltage-Clamp-Bedingungen zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften von Membranproteinen (Bamberg).

Strukturbiologie
Prof. Dr. Werner Kühlbrandt, Direktor

Zweidimensionale Kristallisation und elektronen- kristallographische Strukturaufklärung von Membran- proteinen. Hochauflösende Elektro- nenmikroskopie und Bildanalyse großer makromolekularer Komplexe (Kühlbrandt).

Theoretische Biophysik
Dr. Gerhard Hummer, Direktor

Dem Leben liegen komplexe Wechselwirkungen von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und anderen Biomolekülen zugrunde. Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung detaillierter und quantitativer Beschreibungen zentraler biologischer Vorgänge (Hummer).

Sofja Kovalevskaja Gruppe
Dr. Misha Kudryashev

Native structure and gating of glutamate receptors. Glutamate receptors are the key ion channels in the human brain responsible for synaptic signal transduction between the neurons. They are gated by ligands and voltage and upon opening release ions to the postsynaptic cell initiating further signaling cascades.

IMPRS

Diese Research School ist eine gemeinsame Initiative des Max- Planck-Instituts für Biophysik, des Max-Planck-Instituts für Hirnfor- schung und der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main und eine der ersten Max Planck Research Schools überhaupt. Sie besteht seit dem Jahr 2000 und hat mit mehr als 30 Doktoranden aus verschiedensten Ländern ihre vor- gesehene Größe erreicht. Die Lehr- veranstaltungen enthalten neben einer Ringvorlesung international bekannter Experten auch Labor- praktika in kleinen Gruppen. Die Research School bietet eine metho- disch breit angelegte Ausbildung, vom Studium der Struktur von Mem- branproteinen auf atomarer Ebene, über Funktionsuntersuchun- gen mit neuesten spektroskopischen Metho- den, bis hin zu ganzen Zellen und Geweben.