Struktur und Funktion von Membranproteinen

Prof. Dr. Werner Kühlbrandt, Direktor

Membranproteine gehören zu den faszinierendsten Molekülen in lebenden Zellen.  In den Lipidmembranen, die jede Zelle umgeben und unterteilen, sind Membranproteine für eine große Anzahl verschiedener biologischer Prozesse zuständig, von denen viele lebenswichtig sind. Ein genaues Verständnis jedes einzelnen dieser Prozesse erfordert die Kenntnis der exakten räumlichen Struktur der beteiligten Proteine, möglichst im atomaren Maßstab. Oft müssen die Strukturen von zwei oder mehr verschiedenen funktionalen Zuständen aufgeklärt werden. Das gilt ganz besonders für Membranproteine, deren Funktion häufig auf Konformationsänderungen beruht.

Die besondere Position der Proteine in der Zellmembran bedeutet, dass der von der Lipidschicht umgebene Teil ihrer Oberfläche hydrophob ist, während die vom wässrigen Zytoplasma umgebene oder nach außen gewandten Teile ebenso hydrophil sind wie normale, lösliche Proteine. Daraus ergeben sich einige folgenreiche Eigenschaften, die den Umgang mit Membranproteinen und speziell die Untersuchung ihrer Struktur mit biophysikalischen Methoden erschweren - was sie jedoch für viele Forscher nur umso attraktiver macht.

Zur Zeit sind weniger als 0.5% aller in der “protein data bank” deponierten Proteinstrukturen  Membranproteine.  Dem gegenüber schätzt man, dass 20-30% aller Gene in jedem Lebewesen für Membranproteine stehen. Es bleibt also viel zu tun.  Auch wenn sich die Situation in den letzten Jahren deutlich verbessert hat – nicht zuletzt weil die Herstellung von und der Umgang mit Membranproteinen immer besser gelingt – besteht ein dringender Bedarf an mehr und genauerer Strukturinformation.

Das Max-Planck-Institut für Biophysik ist ein weltweit bekanntes Zentrum für die Erforschung von Membranproteinen, insbesondere ihrer Struktur und molekularen Mechanismen.  Wissenschaftler an unserem Institut haben wichtige Durchbrüche auf diesem schwierigen Gebiet erzielt.  Die Abteilung Strukturbiologie ist besonders an Proteinen und großen Komplexen interessiert, die im Membran­transport, in der Photosynthese oder der Zellatmung aktiv sind. Wir untersuchen die Struktur dieser Proteine mit Elektronen- oder Röntgenkristallographie, sowie mittels Kryo-EM von Einzelpartikeln. Darüber hinaus untersuchen wir die Struktur, Anordnung und Verteilung dieser Proteine und Komplexe in der Membran mit Hilfe der Elektronen-Kryotomographie.

Einige der Membranproteine und Komplexe, mit deren Struktur und Funktion wir uns beschäftigen,  werden uns von Kollaborationspartnern im In- und Ausland zur Verfügung gestellt. Die meisten erzeugen wir jedoch selbst. Expression, Reinigung und Kristallisation sind schwierige und aufwendige Aufgaben, die für jedes Membranprotein neu optimiert werden müssen, was einen erheblichen Teil unserer Forschungsarbeit ausmacht. Wir versuchen sowohl zweidimensionale (2D) Kristalle für die Elektronenkristallographie, als auch dreidimensionale (3D) Kristalle für die Röntgenkristallographie herzustellen, und konzentrieren uns dann auf den Ansatz, der am erfolgversprechendsten aussieht.  Oft bilden sich zuerst 2D-Kristalle, die aber selten gut genug geordnet für eine Strukturbestimmung bei hoher Auflösung sind.  Die 3D-Kristallisation von Membranproteinen ist in letzter Zeit durch den Einsatz von Kristallisationsrobotern und neuen, spezialisierter Kristallisations-Screens leichter geworden.  Dennoch stellt jedes Protein eine neue Herausforderung dar, und die Verbesserung der Kristalle von den ersten erfreulichen Treffern bis zu Kristallen, die sich für die Datensammlung bei hoher Auflösung eignen, erfordert oft jahrelange systematische Feinarbeit.

Projects

cryoEM of multy-enzyme complexes

ATP synthases (Werner Kühlbrandt, Thomas Meier)

ATP synthases

Respiratory chain complexes (Werner Kühlbrandt)

Respiratory chain complexes

CryoET of mitochondria (Werner Kühlbrandt)

CryoET of mitochondria
Archaeal membrane protein complexes

Membrane transporters, channels and enzymes
(Özkan Yildiz, Werner Kühlbrandt)

Membrane transporters, channels and enzymes
Equipment

Kontaktinformationen:

Max-Planck-Institut für Biophysik

Prof. Dr. Werner Kühlbrandt, Geschäftsführender Direktor
Abteilung für Strukturbiologie
Sekretariat: Monika Hobrack

Tel.: +49 (0) 69 6303-3001
Fax: +49 (0) 69 6303-3002
E-Mail: monika.hobrack(at)biophys.mpg.de

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