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Strukturbiologie (ER-C-3)

Der Bereich Strukturbiologie am Ernst Ruska-Centrum (ER-C-3) untersucht mit der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) als zentraler Methode die strukturelle Biologie grundlegender zellulärer Prozesse. Mit Kryo-EM können biochemisch gereinigte, makromolekulare Strukturen und Multi-Protein-Komplexe erforscht werden. Das Verfahren ist zum Beispiel bedeutsam, um die Entstehung von neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer zu verstehen.

Bei der 3D-Kryo-Elektronenmikroskopie werden Proben zunächst schockgefroren und anschließend unter dem Elektronenmikroskop durchleuchtet. Die Makromoleküle können in nahezu nativer Umgebung in vitro oder innerhalb von Zellen untersucht werden, ohne sie kristallisieren zu müssen. Die elektronenmikroskopischen Abbildungen der Makromoleküle werden mit Hilfe von computerunterstützten Bildverarbeitungsprozessen vereinigt, um danach ihre drei-dimensionale Struktur zu berechnen (Abbildung 1).

Kryo-EM wird zur Standard-Methode in der Strukturbiologie

Neue Entwicklungen sowohl bei den Mikroskopie-Geräten als auch in der Datenanalyse haben es ermöglicht, eine Vielzahl biologischer Strukturen atomar aufgelöst darzustellen. Durch den damit verbundenen Erkenntnisgewinn verspricht die Kryo-EM die Routine-Methode zur Lösung von Strukturen großer Makromoleküle mit hoher Auflösung zu werden.

Das Weiterentwicklungspotential der Methode ist enorm

Um das volle Potential dieser Methode auszuschöpfen, ist es auch zukünftig noch erforderlich, weitere gerätebauliche Verbesserungen und Entwicklungen in der Datenanalyse zu etablieren. Deshalb verfolgt das ER-C-3 das Ziel, neue und verbesserte Ansätze zur Probenpräparation, zur Abbildung von Makromolekülen sowie zur Datenverarbeitung zu entwickeln, um sie zur breiten Anwendung in dieser herausfordernden Forschung, die die makromolekulare Strukturbestimmung darstellt, zur Verfügung zu stellen.

dreigeteiltes Bild. Links: Mann im Labor bei der Biochemischen Probenvorbereitung, Mitte: Elektronenmikroskop Titan, rechts: computergestützte 3D-RekonstruktionER-C-3: Arbeitsablauf der Strukturbestimmung mit Kryo-EM
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Kryo-EM im Kontext von weiteren biologischen Methoden

Um mechanistische Einsichten in diese grundlegenden zellulären Prozesse zu erlangen, müssen die Proteine für die Strukturanalyse gereinigt und präpariert werden. Das ER-C-3 ergänzt die Kryo-EM-Strukturen mit hochaufgelösten Röntgenstrukturanalysen oder durch den Einsatz biochemischer und zellbiologischer Experimente, wo immer es möglich ist. Letztlich dienen diese langfristigen Projekte dem großen Ziel, strukturell die molekularen und chemischen Prinzipien zu verstehen, die die Architektur der Zelle ausmachen und definieren.

Institutsleiter:

Dr. Carsten Sachse


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