Forschungsziel

Warum Membranproteine?

Membranproteine stellen fast ein Viertel aller Proteine einer lebenden Zelle. Sie bestimmen und regulieren eine Vielzahl essentieller Funktionen und sind verantwortlich für verschiedenartige Prozesse, wie z.B. die inter- und intrazelluläre Kommunikation, den Transport von Nährstoffen und die Bereitstellung von Energie für die Zellen. Ihre Bedeutung zeigt sich an Hand der Tatsache, dass bis zu 70% aller Medikamente als Zielmolekül ein Membranprotein haben. Allein die Medikamente, die auf G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) zielen, haben ein jährliches Umsatzvolumen von mehreren Milliarden Dollar.

 Klassen von Zielmolekülen (Drews, Science, 287 (2000), 1960-1964)Trotz ihrer offensichtlichen pharmazeutischen Bedeutung ist unser Verständnis der Membranproteinstruktur auf atomarer Ebene rudimentär. Detaillierte Informationen über die räumliche Struktur - eine Voraussetzung für das rationale Design von Wirkstoffen – ist nur für wenige Membranproteine vorhanden. Obwohl die Strukturbestimmung der Membranproteine im Prinzip möglich ist, bleibt die Produktion und Reinigung von Protein in ausreichender Menge für die Kristallisation und/oder die NMR Strukturanalyse immer noch das Hauptproblem, besonders bei Membranproteinen von höheren Organismen (Eukaryonten einschließlich des Menschen).

Eine zweite Hürde liegt darin, Membranproteine in eine Form zu überführen, in der sie für die Strukturbestimmung mittels Kristallisation und/oder NMR verwendet werden können. Kristallisationsversuche mit Membranproteinen, die mit Hilfe von Detergenz solubilisiert wurden, haben eine deutlich geringere Erfolgsrate verglichen mit Proteinen, die natürlicherweise löslich in der Zelle vorkommen. Ursache hierfür ist der Umstand, dass das Detergenz häufig den Protein-Protein-Kontakt verhindert, der notwendig für die Proteinkristallisation ist.
Folge dieser Hürden bei der Erforschung der Struktur von Membranproteinen ist, dass nur von ca. 100 Membranproteinen die Struktur aufgeklärt wurde. Dem gegenüber stehen über 40.000 lösliche Proteine, deren Struktur auf atomarer Ebene bekannt ist. Diese geringen Erfolgsaussichten bei der Strukturaufklärung von Membranproteinen erschweren zurzeit ein zielmolekülbasiertes Wirkstoffdesign in der Medikamentenentwicklung.

Eine Übersicht über die Zahl der Proteinstrukturen, die in der RCSB Proteindatenbank abgelegt sind. Die grünen Balken zeigen die Gesamtzahl von Strukturen. Die ersten zwei Dekaden der Bestimmung löslicher Proteine (ab 1960, graue Linie) und von Membranproteinen (ab 1985, blaue Linie) sind gesondert dargestellt.


Unsere Ziele

HALOmem strebt an, durch systematische Vorgehensweisen diese Probleme bei der Strukturaufklärung zu verringern, insbesondere durch die Produktion und die Rekonstitution der Membranproteine in Umgebungen, die für die Strukturaufklärung geeignet sind. Um dieses Ziel zu erreichen, konzentrieren sich die beide Nachwuchsgruppen zum einen auf die Membranproteinbiochemie und zum anderen auf die biophysikalische Chemie von Membranen.


Mikio Tanabe Das Labor von Dr. Mikio Tanabe  erforscht ein breites Spektrum von Strategien bezüglich der Expression rekombinanter Proteine, der Kristallisation und der Strukturbestimmung von α-helikalen und β-barrel Membranproteinen mit besonderem Schwerpunkt auf Rezeptoren, die an der Signalvermittlung beteiligt sind.


Kirsten Bacia Das Labor von Dr. Kirsten Bacia untersucht die Interaktionen zwischen Proteinen und Lipid-Doppelschichten mit Hilfe von in vitro Rekonstitutionsmethoden und einer Vielzahl von biomembranähnlichen Systemen. Die rekonstituierten Systeme werden mittels physikochemischer und biophysikalischer Techniken, einschließlich der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS), sowie licht- und elektronenmikroskopischen Techniken, charakterisiert.



Beide Nachwuchsgruppen haben Kooperationen innerhalb und außerhalb der Universität zu Arbeitsgruppen der Strukturbiologie (Kryo-Elektronenmikroskopie, Röntgenkristallographie (Milton Stubbs) und NMR-Spektroskopie (Jochen Balbach))  sowie zu Wissenschaftlern in verwandten Bereichen der Biochemie, Biotechnologie, Chemie und Physik aufgebaut.