Welcome to the Berlin "Anwenderzentrum" (user centre) for structural analysis of protein complexes by cryo-electron microscopy!

Anwenderzentrum zur Analyse von Proteinkomplexen durch Kryo-Elektronenmikroskopie

Hintergrund des Projekts:

Bei nahezu allen Schlüsselprozessen in der Zelle spielen makromolekulare Proteinkomplexe eine zentrale Rolle, von denen viele als molekulare Maschinen arbeiten. Die Funktionsweise dieser Komplexe folgt neuen, noch unverstandenen Prinzipien. Die Untersuchung makromolekularer Komplexe ist daher unabdingbar zum Verständnis biologischer Prozesse und der damit assoziierten Krankheitsprozesse und daher ein integraler Bestandteil von Genomics und Proteomics Initiativen. Die Strukturanalyse von großen makromolekularen Komplexen stellt dabei eine besondere Herausforderung dar, da die Komplexe auf Grund ihrer Größe, Variabilität der Zusammensetzung und ihrer dynamischen Regulation mit herkömmliche Methoden nur äußerst schwierig zu untersuchen sind.

Zielsetzung:

In den letzen Jahren hat sich jedoch die noch junge und hochgradig multidisziplinäre Technik der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) in Kombination mit der sogenannten Einzelpartikelanalyse zu einer Schlüsseltechnologie zur Strukturuntersuchung von Proteinkomplexen entwickelt. Technische Errungenschaften wie z.B. die Entwicklung spezieller Kryo-Elektronenmikroskope ermöglichen mittlerweile eine Auflösung im Bereich von 1 nm (1 nm = 1 Nanometer = 10^-9 m). Dies ermöglicht jetzt erstmals gezielte Untersuchungen biologischer und biomedizinischer Fragestellungen wie z.B. die Bindung pharmakologisch relevanter Moleküle, die bis vor kurzem noch außerhalb der Reichweite der Kryo-EM lagen.

Diese Fragestellungen stellen allerdings auch völlig neue methodische Herausforderungen an die Isolierung von Proteinkomplexen, der Datensammlung und der digitalen Bildverarbeitung. Zielsetzung des Projekts ist der Aufbau eines Anwenderzentrums für die Kryo-Elektronenmikroskopie, das durch Entwicklung und Etablierung neuster Technologien die Strukturaufklärung makromolekularer Proteinkomplexe mittels Kryo-EM auf mehreren Ebenen vorantreibt:

1.) Proteinisolierung: Die Weiterentwicklung von Methoden zur Isolierung von Proteinkomplexen aus gesunden und vor allem krankhaft veränderten Zellen wie z.B. Krebszellen soll die Analyse von strukturellen Veränderungen von Proteinkomplexen bei bestimmten Krankheiten eröffnen.

2.) Klassifizierung und Sortierung: Es zeichnet sich immer deutlicher ab, das viele Proteinkomplexe keinen fest definierten, starren Strukturzustand haben, sondern vielmehr eine dynamische Mischung verschiedener Strukturzustände darstellen. Ein Schwerpunkt des Anwenderzentrums ist daher die Entwicklung neuartiger Sortierungsverfahren (3D Klassifizierung), um die einzelnen Strukturzustände dynamischer Komplexe mittels Bildverarbeitung identifizieren und trennen zu können.

3.) Hochauflösung: Die Strukturbestimmung von Proteinkomplexen im Subnanometerbereich stellt besondere Anforderungen an Probenvorbereitung, Datensammlung und 3D-Rekonstruktion. Einerseits werden hier immer größere Datensätze benötigt, andererseits treten im Subnanometerbereich konformationelle Subzustände immer deutlicher hervor. Durch Entwicklung und Optimierung verschiedener Technologien wollen wir die Auflösungsgrenze der Kryo-EM weiter an den Bereich der atomaren Auflösung heranbringen, um eine neue Qualität der Strukturanalyse von Proteinkomplexen zu ermöglichen.

4.) Tomographie: Bei der Einzelpartikelanalyse stellt die Bestimmung einer initialen Ausgangsstruktur nach wie vor einen Engpaß der gesamten Strukturbestimmung dar. Durch den Einsatz tomographischer Methoden wollen wir hier die Effizienz der Strukturbestimmung mittels Kryo-EM steigern.


Organisation und Förderung

Das Anwenderzentrum wurde 2006 vom Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik und von der Charité - Universitätsmedizin Berlin initiiert und vernetzt Arbeitsgruppen aus unterschiedlichen Institutionen Berlins, darunter FU Berlin, HU Berlin, MDC Berlin und das FMP Berlin. Mit finanzieller Unterstützung aus Mitteln der EU und der Berliner Senatsverwaltung für Wissenschaft, Forschung und Kultur werden die Expertise und unterschiedlichen Ressourcen in der Region gebündelt, um die Strukturaufklärung von Proteinkomplexen mittels Kryo-EM auf im internationalen Vergleich höchstem technologischen Niveau weiter voranzutreiben. Dadurch wird der Wissenschaftsstandort Berlin-Brandenburg in den Zukunftsfeldern "Functional Genomics" und "Structural Proteomics" weiter gestärkt.