Abteilung für Strukturbiologie

Abteilung für Strukturbiologie

Prof. Dr. Werner Kühlbrandt, Geschäftsführender Direktor

Das Hauptziel der Abteilung ist das Verständnis der Funktion von Membranproteinen und großen Membranproteinkomplexen, deren Strukturen wir mit den Methoden der Elektronen-Kryo-Mikroskopie (KryoEM) und Röntgenkristallographie bestimmen. Die KryoEM makromolekularer Komplexe erfährt zur Zeit eine Revolution ("The resolution revolution", Kühlbrandt, Science 2014). Diese Revolution ist weitgehend auf die Entwicklung neuer direkter Elektronen-Detektoren zurückzuführen, zu der die Abteilung und die Max-Planck-Gesellschaft beigetragen haben.

Membranproteine spielen in praktisch allen biomedizinischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Es ist daher besonders wichtig, genau zu verstehen, wie sie funktionieren. Dies erfordert Strukturen mit atomarer oder nahezu atomarer Auflösung. Diese Strukturen zu erhalten, ist aus mehreren Gründen eine Herausforderung: Viele Membranproteine sind empfindlich und neigen dazu, bei der Isolierung zu denaturieren; Komplexe können selten überexprimiert oder rekonstituiert werden, da sie aus vielen verschiedenen Membranproteinkomponenten bestehen; Membranproteine und insbesondere Membranproteinkomplexe sind schwierig zu kristallisieren.

CryoEM ist ideal für die Untersuchung von Membranproteinkomplexen, da diese Methode nicht von Kristallen abhängt. Die Proben werden entweder in Detergens- (oder Amphipol-) Lösung mittels Einzelpartikel-KryoEM oder direkt in der Membran mittels Elektronen-Kryo-Tomographie (cryoET) untersucht. Die Einzelpartikel-KryoEM hat in letzter Zeit Auflösungen erreicht, die mit der Röntgenkristallographie konkurrieren oder diese sogar übertreffen.

"Resolution revolution". Die Jahre seit 2014 waren eine außergewöhnlich erfolgreiche und aufregende Zeit für die KryoEM im Allgemeinen und für die Abteilung im Besonderen. Wir haben das Spektrum der Membranproteine und Membransysteme, die wir in dieser Zeit untersucht haben, erheblich erweitert, auch in Zusammenarbeit mit führenden Gruppen in der Membranproteinforschung weit über Frankfurt und Deutschland hinaus. Insgesamt gesehen waren die letzten drei Jahre unsere bisher produktivsten. Bislang haben wir mittels Einzelpartikel-KryoEM die Strukturen von 18 verschiedenen Membranproteinen und Komplexen mit einer Auflösung von 2,7 bis 9 Å und von 15 solcher Komplexe mittels Elektronen-Kryotomographie und Subtomogramm-Mittelung mit einer Auflösung von 18 bis 30 Å bestimmt. Unsere neuen Strukturen haben zu einer Fülle von faszinierenden und unerwarteten Einsichten geführt. In den nächsten drei bis fünf Jahren werden wir die Membranproteine und Proteinkomplexe, die wir derzeit untersuchen, zu einer höheren, hoffentlich nahezu atomaren Auflösung bringen. Dazu werden wir die hervorragende KryoEM-Ausrüstung am Institut nutzen, die wir mit Hilfe der Max-Planck-Förderung aufbauen konnten und die wir gemeinsam mit der Abteilung Beck weiter ausbauen werden. Dadurch werden wir ein noch detaillierteres Verständnis der molekularen Mechanismen dieser Proteine und Proteinkomplexe gewinnen.


Projekte


Ausgewählte Publikationen

1.
Murphy, B.J., Klusch, N., Langer, J., Mills, D.J., Yildiz, Ö., Kühlbrandt, W.
Rotary substates of mitochondrial ATP synthase reveal the basis of flexible F1-Fo coupling.
Science 364, eaaw9128 (2019).
2.
Faelber, K, Dietrich, L, Noel, J.K, Wollweber, F., Pfitzner, A.K, ‎ Mühleip, A.,Sánchez, R., Kudryashev, M., Chiaruttin, N., Lilie, H., Schlegel, J.,  Rosenbaum, E.,Hessenberger, M., Matthaeus, C., Noé, F., Roux, R., van der Laan, M., Kühlbrandt, W., Daumke, O.
Structure and assembly of the mitochondrial membrane remodeling GTPase Mgm1.  
Nature 571, 429-433 (2019).
3.
Kühlbrandt, W.  
Structure and mechanisms of F-type ATP synthases.  
Annu. Rev. Biochem. 88: 515-549. (2019)
4.
Hahn, A., Vonck, J., Mills, D.J., Meier, T., Kühlbrandt, W.   
Structure, mechanism and regulation of the chloroplast ATP synthase.  
Science 360, 620; eaat4318 (2018).
5.
Bausewein, T., Mills, D.J., Langer, J.D., Nitschke, B., Nussberger, S., Kühlbrandt, W.
Cryo-EM structure of the TOM core complex from Neurospora crassa.  
Cell 170, 693-700 (2017)
6.
Allegretti, M., Klusch, N., Mills, D.J., Vonck, J., Kühlbrandt, W., Davies, K.M.   
Horizontal membrane-intrinsic α-helices in the stator a-subunit of an F-type ATP synthase.  
Nature 521, 237-240 (2015).
7.
Kühlbrandt, W.   
The resolution revolution.  
Science 343, 1443 (2014)
8.
Strauss, M., Hofhaus, G., Schröder, R.R.,  Kühlbrandt, W.  
Dimer ribbons of ATP synthase shape the inner mitochondrial membrane.  
EMBO J 27, 1154-1160 (2008).
9.
Rhee, K. H., Morris, E. P., Barber, J., Kühlbrandt, W.  
Three-dimensional structure of the plant photosystem II reaction centre at 8 Å resolution.  
Nature 396, 283-286 (1998)
10.
Kühlbrandt, W., Wang, D. N., Fujiyoshi, Y.   
Atomic model of plant light-harvesting complex by electron crystallography.  
Nature 367, 614-621 (1994).
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