Loren Andreas - Auf der Suche nach dem perfekten Spin - Manfred Eigen Award Lecture und Karl Friedrich Bonhoeffer Award Lecture
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25. Jahrgang | November 2019 - Januar 2020
Im Porträt
Loren Andreas – Auf der Suche
nach dem perfekten Spin
Neues aus dem Institut
Manfred Eigen Award Lecture
und Karl Friedrich Bonhoeffer
Award Lecture
INHALT
NACHRICHTEN NEUES AUS DEM INSTITUT
4 Warum Eizellen mit dem Alter baufällig werden Manfred Eigen Award Lecture mit Nobelpreisträger 26
Michael Rosbash
8 Protein-Ablagerungen bei Parkinson weniger einheitlich als gedacht
Edith Heard gibt Karl Friedrich Bonhoeffer Award Lecture 30
12 Wie vermehren sich Viren?
16 Millions for muscle research
MAX PLANCK CAMPUS AKTUELL
16 ERC Synergy Grant – 26 Manfred Eigen Award Lecture und 16 years of Horizons in Molecular Biology: 34
IM PORTRÄT Millions for muscle research Karl Friedrich Bonhoeffer Award throw back to the superb science of 2019
Lecture
18 Loren Andreas – Auf der Suche nach dem perfekten Spin GWDG Info • Über 400 Fichten auf dem Campus gefällt 35
IMPRESSUM 36
18 Forschungsgruppenleiter
Loren Andreas im Porträt
Titelbild: Struktur des menschlichen spleißosomalen Bact-Komplexes und des katalytischen Ribonucleoprotein- Hinweis: Aus Gründen der Lesbarkeit haben wir im Text die männliche
Kernkomplexes (Abbildung: Reinhard Lührmann, MPI-BPC) Form gewählt. Dennoch beziehen sich die Angaben stets auf Angehörige
aller Geschlechter.
Cover image: Structure of the human spliceosomal Bact complex and catalytic ribonucleoprotein core.
(Image: Reinhard Lührmann, MPI-BPC)
Warum Eizellen mit dem Alter baufällig werden
Spätestens ab Mitte 30 tickt für Frauen die biologische Uhr: Die Fruchtbarkeit nimmt
ab und gleichzeitig steigt das Risiko für Fehlgeburten. Für beides sind Eizellen mit
veränderter Chromosomenzahl eine der Hauptursachen. Warum aber bei älteren Frauen
häufiger Eizellen mit zu vielen oder zu wenigen Chromosomen heranreifen, ist bisher
unvollständig erforscht. Ein deutsch-englisches Forscherteam hat jetzt entdeckt,
dass bestimmte Strukturen an den Chromosomen der Eizelle altern und regelrecht
zerfallen, was zur fehlerhaften Chromosomenverteilung beitragen könnte.
(Abbildung: Agata Zielinska, Melina Schuh / MPI-BPC)
E
in neues Leben beginnt, wenn ein Spermium eine „Wir beschäftigen uns schon seit mehreren Jahren mit der
Eizelle befruchtet. Dann vereinigen sich die Erbinfor- Frage, warum die Verteilung der Chromosomen in Eizellen
mationen des Vaters und der Mutter: Spermium und mit dem Alter fehleranfälliger wird“, berichtet Melina Schuh,
Eizelle bringen je eine Kopie der 23 Chromosomen mit, die Direktorin am MPI-BPC, „und wir haben bereits verschie-
die Erbinformation (DNA) tragen, sodass der enstehende dene Faktoren in der Eizelle gefunden, die dazu beitragen.
Embryo einen kompletten Chromosomensatz erhält. Die Das Bild ist allerdings noch unvollständig.“
Vorläuferzelle der Eizelle besitzt aber zwei Kopien eines je- Jetzt hat die Zellbiologin gemeinsam mit ihrem Team und
den Chromosoms. Daher muss sie vor der Befruchtung die Mitarbeitern der Bourn Hall Clinic in Cambridge (England)
Hälfte ihrer 46 Chromosomen ausschleusen. Dies geschieht erstmals die Kinetochore reifer Eizellen untersucht. Die da-
in einer spezialisierten Zellteilung, der Meiose, in der die für benötigten unbefruchteten Eizellen stammen aus der
eigentliche Eizelle heranreift. Dieser Vorgang wird allerdings Bourn Hall Clinic und dem Kinderwunschzentrum Göttingen.
umso fehleranfälliger, je älter Frauen werden. Denn die Frauen hatten sie dort anonym für die Forschung gespendet –
unreifen Eizellen einer Frau sind schon bei Geburt angelegt: die Eizellen wären andernfalls verworfen worden, da sie zu Eine menschliche Eizelle während der Teilung unter dem Mikroskop.
Eine 40-jährige Frau hat also 40 Jahre alte Eizellen. Je älter unreif für eine künstliche Befruchtung waren. „Die Kine- A human egg observed under the microscope as it divides.
Frau und Eizelle, desto wahrscheinlicher ist es, dass die reife tochore spielen bei der Chromosomenverteilung eine zen
Eizelle zu viele oder zu wenige Chromosomen besitzt. Dies trale Rolle: Die Spindelfasern ziehen an ihnen für mehrere
ist eine der Hauptursachen für Fehlgeburten und Unfrucht- Stunden, wenn die Chromosomen sortiert werden und sich
barkeit. auf der Spindel anordnen. Sie sind daher sehr starken Kräften abnimmt“, erklärt Agata Zielinska, ehemalige Doktorandin eines zerfallenen Kinetochors gleichzeitig mit Spindelfasern
Dass eine Eizelle mit der richtigen Anzahl an Chromo ausgesetzt“, erläutert Schuh. „Wir wollten wissen, ob sich bei Schuh. Als sie die Menge an Cohesin in jungen Eizel- beider Pole verbunden waren. „So ist nicht mehr klar, zu
somen heranreift, stellt eine komplexe zelluläre Maschine in oder um diesen Ankerpunkt altersbedingt etwas ändert.“ len künstlich verringerte, konnte sie die gleichen Effekte – welchem Pol die Spindelfasern die betroffenen Chromo-
sicher, der Spindelapparat. Er besteht aus Spindelfasern, die In der Tat entdeckte ihr Team, dass sich in alten Eizellen aufgelockerte Zentromere, zerfallene Kinetochore – beob- somen bei der Zellteilung ziehen“, so Schuh weiter, „und
sich während der Meiose an die Chromosomen anheften und das Zentromer auflockert und sogar jedes dritte Kinetochor achten, wie die Wissenschaftler sie auch in alten Eizellen wenn eine Eizelle bereit ist, sich zu teilen, können Fehler bei
die eine Kopie jedes Chromosomenpaars wie Seilwinden zu regelrecht zerfallen war. gefunden hatten. „Der altersbedingte Mangel an Cohesin der Verteilung passieren, die zu Unfruchtbarkeit sowie Fehl
zwei einander gegenüberliegenden Polen ziehen – zwischen bewirkt offenbar die Schäden an Zentromeren und Kine- geburten beitragen.“ (kl/fk)
diesen Polen wird sich die Zelle teilen. Die Spindelfasern Molekulare Alterserscheinungen tochoren in älteren Eizellen“, fasst Zielinska zusammen.
binden allerdings nicht direkt an das Chromosom, sondern Doch warum werden Zentromere und Kinetochore baufäl- „Damit wussten wir, dass ein großer Teil der Kinetochore Originalveröffentlichung
an eine spezialisierte Struktur, das sogenannte Kinetochor. lig, wenn Frauen altern? Ein Schlüsselfaktor scheint ein Pro- in alternden Eizellen zerfällt. Als nächstes wollten wir noch Zielinska AP, Bellou E, Sharma N, Frombach AS, Seres KB,
Dieses ist an einer besonderen Region des Chromosoms ver- tein-Komplex namens Cohesin zu sein. Cohesine legen sich herausfinden, ob das Zerfallen der Kinetochore direkt mit Gruhn JR, Blayney M, Eckel H, Moltrecht R, Elder K,
ankert, die Wissenschaftler als Zentromer bezeichnen. Am wie ein enger Gummiring um bestimmte Bereiche des Chro- der fehlerhaften Chromosomenverteilung zusammenhängt“, Hoffmann ER, Schuh M: Meiotic kinetochores fragment
Zentromer ist die DNA des Chromosoms besonders eng mosoms und stabilisieren diese. „Wir wussten bereits, dass berichtet Schuh. In weiteren Versuchen stellten die Forscher into multiple lobes upon cohesin loss in aging eggs.
gepackt. die Menge des Cohesins an den Chromosomen mit dem Alter fest, dass in etwa einem Drittel der Fälle die einzelnen Teile Cur Biol, doi: 10.1016/j.cub.2019.09.006 (2019).
4 Nachrichten Nachrichten 5
Spindelapparat (magenta), Chromosomen (blau) und Kinetochore (weiß)
einer menschlichen Eizelle während der Teilung.
Spindle (magenta), chromosomes (blue) und kinetochores (white) of a
human egg during division.
that the mature egg has too many or too few chromosomes. in or around this anchor point due to age.” Indeed, her team
This is one of the main causes behind miscarriage and discovered that the centromere becomes less tightly packed
(Image: Agata Zielinska, Melina Schuh / MPI-BPC)
human infertility. in old eggs, and that a staggering one in three kinetochores
A complex cellular machine, the spindle apparatus, had fallen apart.
ensures that a maturing egg retains the correct number of But why do centromeres and kinetochores decompose
chromosomes. The spindle apparatus consists of spindle as the female ages? A key player in this process seems to be
fibers that attach to the chromosomes during meiosis. Each a protein complex called cohesin. Cohesins are attached
fiber pulls one copy of each chromosome pair towards one to certain areas of the chromosome like a tight rubber ring
of two opposite poles like a winch – the cell will divide and stabilize them. “We already knew that the amount of
between these poles. Importantly, the spindle fibers do not cohesin at chromosomes decreases with age,” explains
bind directly to the chromosome, but to a specialized struc- Agata Zielinska, a former PhD student in Schuh’s lab. When
ture, the so-called kinetochore. The kinetochore is anchored she artificially reduced the amount of cohesin in young
at the centromere, a special region of the chromosome. At eggs, she observed the same effects – loosened centromeres,
the centromere, the chromosome’s DNA is packed particu- decayed kinetochores – that the scientists had found in old
larly tightly. eggs. “The age-related lack of cohesin apparently causes
“We have studied for quite some years now why the damage to centromeres and kinetochores in older eggs,”
Why egg cells become error-prone with age distribution of chromosomes in eggs becomes more error-
prone with age,” reports Melina Schuh, director at the
Zielinska summarizes.
“We thus knew that a large fraction of kinetochores frag-
MPI-BPC, “and we have already found various factors in ment in aging eggs. Next, we wanted to find out whether
For women, the biological clock starts ticking by their mid-30s at the latest: Fertility the egg that contribute to this. However, the picture is still the disintegration of the kinetochores could be linked to
incomplete.” incorrect chromosome distribution,” says Schuh. In further
decreases, the risk of miscarriages increases. One of the main reasons behind both are experiments, the researchers discovered that in about one
eggs with altered chromosome numbers. It has remained largely unclear, however, why Molecular signs of aging third of cases, the individual parts of a fragmented kineto-
eggs from older women more frequently possess too many or too few chromosomes. Together with her team and researchers at Bourn Hall chore were simultaneously attached to spindle fibers of both
T
Cliniche inwinners were(England),
Cambridge selected from
the acell
pool of morehas
biologist thannow
500 poles. “In such
structure cases it isofnoproteins
and function longer clear to which
in their naturalpole the
environ-
A German-English research team has now discovered that certain structures on the egg’s nominees.
investigated “The annual
the mature list of innovators
egg’s kinetochore for thefeatures our
first time. ment. The
spindle technique
fibers pull the was only recently
chromosomes established
during in the
cell division,”
chromosomes age and fall apart, possibly promoting incorrect chromosome distribution. most diverse
The unfertilized science
eggs for theseyetstudies
and iscame
comprised of a group
from Bourn Hall biological
Schuh sciences,
continues, withwhen
“and Andreas having
the egg substantially
is ready con-
to divide,
of young
Clinic the Kinderwunschzentrum
pioneers
and who are determined toGöttingen.
change theWomen
world,” distribution
tributed to errors may arise Solid-state
this milestone. that contribute
NMRtospectroscopy
infertility andis
said Bibiana
had donatedCampos Seijo, editor-in-chief
them anonymously and vice
for research president
– otherwise miscarriages.”
especially suited (kl/fk)
to study proteins that exist in a non-liquid
A
new life begins when an egg is fertilized by a sperm. of its 46 chromosomes before fertilization. This happens in of the
the society’s
eggs would Chemical
have been & Engineering
discarded,News Media
as they wereGroup.
not environment, such as large complexes consisting of many
This is when the genetic information of the father and a specialized cell division process, called meiosis, during sufficiently
“As some ofmature for in and
the brightest vitromost
fertilization.
influential“The
minds kineto-
in the differentpublication
Original proteins and in particular membrane proteins em-
the mother is combined: Sperm and egg each con which the actual egg matures. The problem is that this pro- chores
chemical play a central
sciences, thererole indoubt
is no chromosome
they will distribution:
shake up our Zielinska
bedded in AP, Bellou
lipid E, Sharma
bilayers N, Frombach
or cellular AS, Seres KB,
membranes.
tribute one copy of the 23 chromosomes that carry the genetic cess becomes increasingly error-prone as women get older. The spindle fibers pull on them for numerous hours as the
field.” Gruhn JR,fk/press release
Blayney of theH,American
M, Eckel MoltrechtChemical
R, Elder Society
K,
information (DNA), so that the newly formed embryo inherits That is because a woman’s immature eggs are already pro- chromosomes become
Andreas applies sorted and
solid-state arranged
nuclear on theresonance
magnetic spindle. Hoffmann ER, Schuh M: Meiotic kinetochores fragment
a full set. However, the egg’s precursor cell contains two cop- duced at birth: A 40-year-old woman has 40-year-old eggs. They
(NMR)are therefore exposed
spectroscopy to very the
to investigate strong forces,” Schuh
three-dimensional into multiple lobes upon cohesin loss in aging eggs.
ies of each chromosome and, therefore, must eliminatehalf The older the woman and the egg get, the more likely it is explains. “We wanted to know whether anything changes Cur Biol, doi: 10.1016/j.cub.2019.09.006 (2019).
6 Nachrichten Nachrichten 7
(Abbildung: Alexandr Mitiuc – stock.adobe.com)
Protein-Ablagerungen bei Parkinson
weniger einheitlich als gedacht
Forscher des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) und des „Wir haben uns die Frage gestellt, wie gut die im Reagenz- von jenen der Parkinson-Patienten. Die Proteine der verschie-
glas hergestellten Alpha-Synuklein-Aggregate die Situation denen MSA-Patienten hatten alle eine weitgehend ähnliche
MPI-BPC haben die Feinstruktur verklumpter Alpha-Synuklein-Proteine erstmals anhand von beim Patienten widerspiegeln. Deshalb haben wir uns Pro- Form. Die Proteine der Parkinson-Patienten waren deutlich
Gewebeproben aus Patienten analysiert. Bisher hatte man vor allem künstlich aggregierte ben angeschaut, die aus Gewebe von Patienten hergestellt uneinheitlicher.“
Proteine untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Protein-Strukturen der klinischen wurden“, so Zweckstetter. „Dabei haben wir eng mit interna-
tionalen Partnern zusammengearbeitet. Die Gewebeproben Diverse Ablagerungsformen bei Parkinson
Proben von den künstlichen unterscheiden und bei Parkinsonpatienten überraschend stammen aus Australien, die Aggregate daraus wurden in Die unterschiedlichen Alpha-Synuklein-Ablagerungen bei
vielfältig sind. Dies zeigt, wie wichtig ergänzende Studien mit Gewebeproben sind. Südkorea generiert. Die Struktur-Untersuchungen haben wir Parkinson-Patienten könnten eine Erklärung sein, warum der
am MPI-BPC und am DZNE durchgeführt.“ Verlauf der Parkinson-Erkrankung von Mensch zu Mensch
Die Wissenschaftler untersuchten Ablagerungen aus recht unterschiedlich sein kann. „Dies würde der Hypothese
A
rme und Beine beginnen zu zittern, die Muskeln Neben dieser Variante gibt es jedoch noch weitere, die mit Gehirnproben von je fünf verstorbenen Parkinson- und widersprechen, dass Parkinson nur mit einer einzigen, klar
werden steif: Parkinson und Multisystematrophie Hirnerkrankungen wie Parkinson und MSA verknüpft sind. MSA-Patienten. Zum Vergleich stellten sie verschiedene definierten Form von Proteinablagerungen einhergeht. Ange
(MSA) sind neurodegenerative Erkrankungen und Varianten von verklumpten Alpha-Synuklein-Aggrega- sichts unserer relativ kleinen Stichprobe von fünf Patienten
können mit diversen Beeinträchtigungen einhergehen. Sie Eine Frage der Form ten künstlich her. Mittels NMR-Spektroskopie und weiterer lässt sich das aber nur vermuten“, so Zweckstetter.
unterscheiden sich zwar in ihren Symptomen und betreffen Die typischen, faserigen Ablagerungen von Alpha- Methoden verglichen die Forscher dann die Struktur der ver- Nach einer Pressemitteilung des DZNE/is
auch unterschiedliche Teile des Nervensystems. Gemeinsam Synuklein sind ein möglicher Ansatzpunkt für Medikamente. schiedenen Aggregate.
ist aber beiden, dass sogenannte Alpha-Synuklein-Proteine Die Wirkstoffe könnten das Verklumpen unterbinden oder
in den Nervenzellen des Gehirns verklumpen und sich in di- schon bestehende Verklumpungen auflösen, so die Idee. Um Strukturelle Unterschiede Originalpublikation
versen Hirnregionen ablagern. „Diese Ablagerungen sind ein mögliche Andockstellen dafür zu identifizieren, sind Daten „Wir haben festgestellt, dass die verklumpten Proteine Strohäker T, Jung BC, Liou SH, Fernandez CO, Riedel D,
typisches Krankheitsmerkmal“, erläutert Markus Zweckstetter, über die Feinstruktur dieser Protein-Ansammlungen aller- aus dem Labor eine andere Struktur hatten als alle aus Becker S, Halliday GM, Bennati M, Kim WS, Lee SJ,
Forschungsgruppenleiter am DZNE und am MPI-BPC. dings unerlässlich. Die Frage ist also: Welche Form nehmen Patientenmaterial hergestellten Ablagerungen“, kommen- Zweckstetter M: Structural heterogeneity of α-synuclein
Das „normale“ Protein Alpha-Synuklein spielt eine die Alpha-Synuklein-Moleküle innerhalb der Ablagerungen tiert Timo Strohäker, Erstautor der Studie, die Befunde. fibrils amplified from patient brain extracts. Nat Commun,
wichtige Rolle bei der Kommunikation von Nervenzellen. an? „Zudem unterschieden sich die Proteine der MSA-Patienten doi: 10.1038/s41467-019-13564-w (2019).
8 Nachrichten Nachrichten 9
(Image: ustas – stock.adobe.com)
Protein aggregates in Parkinson‘s
less uniform than expected
Researchers at the MPI-BPC and the German Center for Neurodegenerative Diseases
(DZNE) have, for the first time, analyzed the fine structure of clumped alpha-synuclein
proteins amplified from tissue samples from patients. Up to now, only artificially
aggregated proteins had been investigated. The results show that the protein structures
of clinical samples differ from artificial ones and are surprisingly diverse in Parkinson‘s
patients. This underlines the importance of supplementary studies with tissue samples.
Neue Erkenntnisse über Hirnerkrankungen: Bei
A
rms and legs begin to tremble, muscles become docking sites. The question is: What form do the alpha- comments on the findings. “In addition, the proteins of MSA Parkinson und Multisystematrophie lagern sich
stiff: Parkinson’s and multisystem atrophy (MSA) are synuclein molecules take within the deposits? patients differed from those of Parkinson’s patients. The pro- Proteine schichtweise zu länglichen Aggregaten
neurodegenerative diseases and can be accompanied “We asked ourselves how well the alpha-synuclein teins of the different MSA patients all had a largely similar (blau) zusammen, die sich im Gehirn anhäufen.
by various impairments. They differ in their symptoms and aggregates produced in the test tube reflect the situation in form. The proteins of Parkinson’s patients, in contrast, were Göttinger Forscher haben die molekulare Struktur
also affect different parts of the nervous system. What both patients. That’s why we looked at samples amplified from much more heterogeneous.” dieser Proteinablagerungen analysiert. Es stellte
sich heraus, dass die Protein-Strukturen der klini-
have in common, however, is that so-called alpha-synuclein patients’ tissue,” Zweckstetter says. “We worked closely with The different alpha-synuclein deposits in Parkinson’s
schen Proben sich von den künstlich aggregierten
proteins clump in the brain´s nerve cells and are depo international partners on this project. The tissue samples patients may explain why the course of Parkinson’s disease
unterscheiden und bei Parkinson-Patienten über
sited in various brain regions. “These deposits are a typical came from Australia, the aggregates were amplified in South can vary considerably from person to person. “This would
raschend vielfältig sind.
disease characteristic,” explains Markus Zweckstetter, Korea. We carried out the structural investigations at the contradict the hypothesis that Parkinson’s disease is only
(Abbildung: Markus Zweckstetter / MPI-BPC & DZNE)
research group leader at the MPI-BPC and the DZNE. MPI-BPC and at the DZNE.” associated with a single, clearly defined form of protein de-
The ‘normal’ protein alpha-synuclein plays an important The scientists investigated brain samples from five posits. However, in view of our relatively small sample of five New insights into brain deseases: In Parkinson‘s
role in the communication of nerve cells. In addition to deceased Parkinson’s and MSA patients each. For compari- patients, this can currently only be assumed,” Zweckstetter says. and multisystem atrophy, proteins accumulate in
this variant, there are others that are associated with brain son, the researchers artificially produced different variants of According to a press release of the DZNE/is layers to form elongated aggregates (blue) that are
diseases such as Parkinson’s and MSA. clumped alpha-synuclein aggregates. Using NMR spectros- deposited in the brain. Researchers from Göttingen
copy and other methods, the scientists then compared the have analyzed the molecular structure of these
A question of form structure of the different aggregates. Original publication protein deposits amplified from patients´ tissues.
The typical fibrous deposits of alpha-synuclein are a Strohäker T, Jung BC, Liou SH, Fernandez CO, Riedel D, It turned out that the protein structures of patient-
possible starting point for drugs. The idea is that the active Structural differences Becker S, Halliday GM, Bennati M, Kim WS, Lee SJ, related aggregates differ from those of artificially
substances could prevent clumping or dissolve already ex- “We found that the clumped proteins from the laboratory Zweckstetter M: Structural heterogeneity of α-synuclein aggregated protein and are surprisingly diverse in
isting aggregates. However, data on the fine structure of had a different structure than all deposits produced from fibrils amplified from patient brain extracts. Nat Commun, Parkinson‘s patients.
these protein accumulations is essential to identify possible patient material,” the study´s first author Timo Strohäker doi: 10.1038/s41467-019-13564-w (2019). (Image: Markus Zweckstetter / MPI-BPC & DZNE)
10 Nachrichten Nachrichten 11
VACCINIA
Um der Funktionsweise der viralen RNA-Polymerase auf mithilfe von Computern tüfteln, bis sie aus mehre-
die Spur zu kommen, ermittelten die Forscher ihre drei ren Terabyte Daten räumliche Modelle der Polymerase-
dimensionale Struktur während unterschiedlichen Schritten Komplexe entwickelt hatten. Mit einer 3D-Brille kann sich
der Transkription. „Mit den neuen Erkenntnissen können wir nun jeder den Komplex ansehen, beliebig drehen und in
nun den gesamten Prozess der Viren-Vermehrung nachvoll- seine Untereinheiten zerlegen.
ziehen. Wie in einem Film lässt sich verfolgen, wie diese Die neuen Erkenntnisse bieten unter anderem die Mög-
Nanomaschine auf atomarer Ebene funktioniert und wie die lichkeit, auf den viralen Vermehrungszyklus Einfluss zu
einzelnen Abläufe choreografiert sind“, sagt Cramer. Sein nehmen, was therapeutisches Potenzial mit sich bringt.
Mitarbeiter, Strukturbiologe Hauke Hillen, fügt hinzu: „Be- Aktuell laufen weltweit Studien, die Vaccinia-Viren im Kampf
sonders erstaunlich ist, wie sich die Bausteine der Maschine gegen Krebs einsetzen. Dass speziell optimierte Vaccinia-
nach dem Start der Transkription neu anordnen, um die Syn- Viren sogar Tumore verkleinern und kleinste Metastasen auf-
these des RNA-Produkts voranzutreiben – dieser Komplex ist spüren können, hat bereits die Firma Genelux in Tierversu-
wirklich sehr dynamisch.“ chen und an Patienten zeigen können.
Nach einer Pressemitteilung der Universität Würzburg/is
Ein Supermikroskop liefert Bilder der Kopiermaschine
Die entsprechenden Daten liefert ein Gerät, das die
Strukturanalyse in den vergangenen Jahren revolutioniert Originalpublikationen
hat – das Kryo-Elektronenmikroskop. Es ermöglicht Bilder Grimm C, Hillen H S, Bedenk H, Bartuli J, Neyer S,
mit einer Auflösung, die sich in der Größenordnung von Zhang Q, Hüttenhofer A, Erlach M, Dienemann C,
Atomen bewegt. Für ihre Aufnahmen haben die Forscher Schlosser A, Urlaub H, Böttcher B, Szalay A, Cramer P,
die RNA-Polymerase in unterschiedlichen Phasen der Tran- Fischer U: “Structural basis of poxvirus transcription: Vaccinia
skription schockgefroren und „fotografiert“. Auf diese Weise RNA polymerase complexes”. Cell 179 1537-1550, (2019).
entstanden Millionen Schnappschüsse der Nanomaschine Hillen H S, Bartuli J, Grimm C, Dienemann C, Bedenk H,
während ihrer Arbeit, die die Forscher anschließend zu einem Szalay A, Fischer U, Cramer P: “Structural basis of poxvirus
Wie vermehren sich Viren? Gesamtbild zusammensetzten. Rund sechs Monate muss-
ten Hillen und sein Würzburger Kollege Clemens Grimm
transcription: transcribing and capping Vaccinia complexes”.
Cell 179, 1525-1536 (2019).
Erstmals in 3D und atomarer Auflösung: Forschern der Abteilung Molekularbiologie
am MPI-BPC ist es in einer Kooperation mit Würzburger Kollegen gelungen, die
Vermehrungsstrategie von Vaccinia-Viren darzustellen. Diese dienen auch als Impfstoff
gegen menschliche Pockenerkrankungen und als Basis neuer Krebstherapien.
D
amit Viren sich vermehren können, benötigen sie zu- harmlose Erreger ist nicht nur Grundlage aller Impfstoffe ge-
meist die Unterstützung der von ihnen befallenen gen Pockenerkrankungen. Er wird auch in der sogenannten
Zellen. Nur im Zellkern ihrer Wirtszellen finden sie onkolytischen Virotherapie erprobt, um Krebserkrankungen
die Maschinen, Proteine und Bausteine, mit denen sie ihr zu bekämpfen.
genetisches Material vervielfachen können, bevor sie wei-
tere Zellen infizieren. Eine molekulare Klammer, die alles zusammenhält
Doch nicht alle Viren finden den Weg in den Zellkern. Ei- „Die RNA-Polymerase des Vaccinia-Virus existiert im We-
nige verbleiben außerhalb im sogenannten Zytoplasma und sentlichen in zwei Erscheinungsformen: dem eigentlichen
müssen aus eigener Kraft ihr Erbgut verdoppeln. Den dafür Kernenzym und einem noch größeren Komplex, der dank
notwendigen „Maschinenpark“ bringen sie selbst mit. Eine hinzugefügter Untereinheiten über weitere, spezielle Funk-
wesentliche Rolle übernimmt dabei eine spezielle Nano- tionalitäten verfügt“, erklärt Fischer. Das Kernenzym gleicht
maschine, kombiniert mit diversen Untereinheiten: die der molekularen Kopiermaschine, die natürlicherweise in
RNA-Polymerase. Diese zelluläre Kopiermaschine liest die lebenden Zellen vorkommt und intensiv von der Abteilung
genetische Information vom Erbgut des Virus ab und über- Cramer erforscht wird: der RNA-Polymerase II. Der zweite
setzt sie in die Boten-RNA – die als Blaupause für die im Komplex der Vaccinia-RNA-Polymerase ist ein Alleskönner.
Erbgut kodierten Proteine dient. Dieser Vorgang heißt Er besteht aus zahlreichen Untereinheiten und führt den
Transkription. gesamten Transkriptionsprozess für das Virus aus. So kann
Molekülstrukturen der aus infizierten Zellen isolierten Vaccinia-Transkriptions-Komplexe.
Wissenschaftlern um Patrick Cramer, Direktor und Lei- der Erreger sich vermehren.
(A) Cartoon-Darstellung des Vaccinia-RNA-Polymerase (RNAP)-Kern-Enzyms. Die einzelnen Untereinheiten sind farbig hervorgehoben.
ter der Abteilung Molekularbiologie am MPI-BPC, zusam- Zusammengehalten wird der Komplex von einem Mole-
(B) Oberflächen-Darstellung des kompletten Vaccinia RNA-Polymerase-Komplexes. Zusätzlich zum Kern-Enzym enthält dieser virale Transkrip-
men mit Utz Fischer von der Julius-Maximilians-Universität kül, welches das Virus aus seiner Wirtszelle entwendet: einer
tions-Faktoren, die für die verschiedenen Schritte des Transkriptionszyklus benötigt werden, sowie eine zelluläre tRNA (Cartoon-
(JMU) Würzburg ist es jetzt erstmals gelungen, die Struk- sogenannten Transfer-RNA (tRNA). Diese Art von Molekülen Darstellung). (Abbildung: Hauke Hillen / MPI-BPC)
tur dieser Nanomaschinen aus Pockenviren dreidimensio- spielt normalerweise keine Rolle in der Transkription, son- Structures of Vaccinia transcription complexes purified from infected cells.
nal und in atomarer Auflösung darzustellen. Beteiligt an den dern liefert die Aminosäure-Bausteine für die Proteinherstel- (A) Cartoon representation of the core Vaccinia RNA polymerase (RNAP). The individual subunits are shown in different colors.
Analysen war auch Henning Urlaub, Forschungsgruppen lung. Wäre die Wirts-tRNA nicht beteiligt, fiele der riesige (B) Surface representation of the complete Vaccinia RNA polymerase complex. In addition to the core Vaccinia RNA polymerase, it
leiter am MPI-BPC. Die Wissenschaftler arbeiteten dabei mit Komplex wahrscheinlich auseinander. contains viral transcription factors required for the different steps of the transcription cycle as well as a host tRNA molecule (shown as
Vaccinia, einem DNA-Virus. Dieser für den Menschen völlig cartoon). (Image: Hauke Hillen / MPI-BPC)
12 Nachrichten Nachrichten 13
Molekülstruktur der Vaccinia-RNA-Polymerase
während der Transkription.
Der komplette Vaccinia RNA-Polymerase (RNAP)-
Komplex (links) durchläuft eine große konforma-
tionelle Umlagerung während der Interaktion mit
DNA und der Ausbildung des aktiv transkribieren-
den Capping-Komplexes (rechts).
(Abbildung: Hauke Hillen / MPI-BPC)
Structure of actively transcribing Vaccinia
RNA polymerase.
The complete Vaccinia RNA polymerase complex
(left) undergoes large conformational rearrange-
ments upon binding of DNA and formation of
the actively transcribing co-transcriptional cap-
ping complex (right).
(Image: Hauke Hillen / MPI-BPC)
How do viruses multiply?
For the first time in 3D and atomic resolution: Researchers from
the Department of Molecular Biology at the MPI-BPC, in cooperation
with colleagues in Würzburg, have succeeded in presenting how
Vaccinia viruses propagate. These viruses also serve as vaccines against
human smallpox diseases and as the basis for new cancer therapies.
F
or viruses to multiply, they usually need support of the
cells they infect. Only in their host’s nucleus can they find
the machines, proteins, and building blocks with which
they can copy their genetic material before infecting other cells.
But not all viruses find their way into the cell nucleus.
Some remain outside the cytoplasm and have to double
VIRUS
against smallpox infections. It is also tested in oncolytic
virotherapy to combat cancer.
“The RNA polymerase of the Vaccinia virus exists es-
sentially in two forms: the actual core enzyme and an even
larger complex, which has further specific functionalities
thanks to the addition of subunits,” Fischer explains. The
nanomachine functions at the atomic level and how the in-
dividual processes are choreographed,” Cramer says. His
colleague, structural biologist Hauke Hillen, adds: “What´s
amazing is how the building blocks of the machine rearrange
themselves after the start of transcription to drive the synthesis
of the RNA product – this complex is really very dynamic”.
fight against cancer are currently underway worldwide. The
company Genelux has already been able to show in animal
experiments and in patients that specially optimized
Vaccinia viruses can even reduce tumours and detect minute
metastases.
According to a press release of the University of Würzburg/is
their genetic material without help. To do so, they carry the core enzyme is similar to the molecular copy machine that
necessary “machinery” with them. A special nanomachine occurs naturally in living cells and is the subject of inten- A supermicroscope provides images of the copy machine
combined with various subunits – RNA polymerase – plays sive research by the Cramer Department: RNA polymerase II. The necessary data is provided by a device that has revolu- The Vaccinia RNA polymerase complex at work.
an important role in this process. This cellular copying ma- The second complex of Vaccinia RNA polymerase is an all- tionized structural analysis in recent years – the cryo-electron www.mpibpc.mpg.de/en -> News ->
chine reads the genetic information from the virus’ genome rounder. It consists of numerous subunits and carries out the microscope. It provides images with a resolution on the Press Releases -> How do viruses multiply?
and translates it into messenger RNA that serves as a blue- entire transcription process for the virus. This enables the atomic scale. For their images, the researchers shock-froze
print for the proteins encoded in the genome. This process pathogen to multiply. and “photographed” the RNA polymerase in different phases
is called transcription. The complex is held together by a molecule that the virus of transcription. In this way, millions of snapshots of the nano Original publications
Scientists led by Patrick Cramer, director and head of the hijacks from its host cell: a so-called transfer RNA (tRNA). machine were taken during its work, which the researchers Grimm C, Hillen H S, Bedenk H, Bartuli J, Neyer S,
Department of Molecular Biology at the MPI-BPC, together This type of molecule does not normally play a role in tran- then assembled into an overall picture. Hillen and his col- Zhang Q, Hüttenhofer A, Erlach M, Dienemann C,
with Utz Fischer of the Julius Maximilian University (JMU) scription, but provides the amino acid building blocks for league from Würzburg, Clemens Grimm, spent about six Schlosser A, Urlaub H, Böttcher B, Szalay A, Cramer P,
in Würzburg have now succeeded, for the first time, to protein production. If this host tRNA were not involved, the months with hard computer work until they developed spatial Fischer U: “Structural basis of poxvirus transcription:
solve the structure of these nanomachines from poxviruses huge complex would likely fall apart. models of the polymerase complexes from several terabytes of Vaccinia RNA polymerase complexes”. Cell 1 79 1537-1550,
three-dimensionally and in atomic resolution. Henning To find out how the viral RNA polymerase works, data. Using 3D glasses, anyone can now look at the complex, (2019)
Urlaub, Research Group Leader at the MPI-BPC, was also the researchers determined its three-dimensional struc- rotate it around as they like, and dissect it into its subunits. Hillen H S, Bartuli J, Grimm C, Dienemann C, Bedenk H,
involved in the analyses. The Scientists worked with Vaccinia, ture during different transcription steps. “With the new Among other things, the new findings offer the possibility Szalay A, Fischer U, Cramer P: “Structural basis of pox
a DNA virus. This pathogen, which is completely harm- findings, we can now understand the entire process of of influencing the viral reproduction cycle, which has virus transcription: transcribing and capping Vaccinia
less to humans, is not only the basis for all vaccines virus replication. It’s like watching a film to see how this therapeutic potential. Studies using Vaccinia viruses in the complexes”. Cell 179, 1525-1536 (2019)
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Millions for muscle research
The researcher consortium:
An international team of scientists has been awarded one of the rare and Dirk Görlich, Stefan Raunser,
Frank Schnorrer, and Mathias Gautel
highly endowed Synergy Grants from the European Research Council (ERC). (from left). (Photos: Max Planck Institute for
Funds of 11 million euros during the next six years will enable the researchers Molecular Physiology)
to study the nanostructure of muscles and the causes of muscular diseases.
M
uscles are composed of muscle fiber bundles with works exactly. That is why we want to investigate and com-
each fiber containing hundreds of long chains, the pare the composition and the structure of sarcomeres in
muscle fibrils. Their smallest repeating functional young and aged muscles,“ Dirk Görlich, head of the Depart-
unit is the sarcomere. This power pack performs the actual ment of Cellular Logistics at the MPI-BPC, refers to one of the
muscle work: When the sarcomeres shorten, the muscle goals of this large-scale project.
contracts. When the sarcomeres lengthen, the muscle ex-
tends. During muscle contraction, filamentous strands of the Combining forces to uncover the nanostructure of sarco-
muscle proteins actin and myosin slide along each other. meres
Muscle contraction further requires numerous additional The researchers will pursue an innovative, interdisciplin-
proteins. If these are misplaced or do not work together ary concept that combines quantitative proteomics and
properly during muscle development, severe muscle or heart nanoantibody engineering carried out by Görlich and his About the ERC
diseases can develop. team with super-resolution light microscopy provided by The ERC was set up by the European Union in 2007 and
Frank Schnorrer and Mathias Gautel, electron cryo-tomogra- is the premier European funding organization for excellent
New insights into the structure of muscles phy done by Raunser, as well as biochemical and functional frontier research. Every year, it selects and funds outstand-
“Using electron microscopy, we have already been able to genetic analyses of sarcomere dynamics in flies, zebrafish, ing, creative researchers of any nationality and age to run
visualize some muscle building blocks in atomic detail, such and mouse. projects based in Europe. It has three grant schemes for
as the protein complex of actin and myosin as the central Raunser predicts that the consortium’s expected re- individual principal investigators – Starting Grants, Consoli
element of the sarcomere. Our ultimate goal is to elucidate search results will provide new insights into the structure of dator Grants, and Advanced Grants. In addition, with its
the three-dimensional structure of the sarcomere as a whole muscle cells at the molecular level and hopefully explain how Synergy Grants, the ERC supports excellent research teams
and to gain insights into its formation, maintenance, and a muscle cell can generate sarcomeres. This will ultimately of two to four researchers. In 2019, 37 research groups have
function,“ explains Stefan Raunser, coordinator of the joint contribute to a better understanding of muscle diseases and obtained a Synergy Grant allowing them to tackle com-
project and director at the MPI for Molecular Physiology. to the development of innovative agents to mitigate muscle plex scientific challenges. Each grant is endowed with up to
“Our muscles, both skeletal and heart muscles, have to disease and ageing. 14 million euros in funding for up to six years. This fund-
function flawlessly for an entire life duration and therefore According to a press relaese of ing is part of the EU’s research and innovation program,
must be regularly serviced. We do not yet know how this the MPI for Molecular Physiology/cr Horizon 2020.
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Auf der Suche nach dem perfekten Spin
Noch immer befindet sich die Festkörper-Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie in
der Entwicklung, vor allem in der Biophysik. Loren Andreas, Forschungsgruppenleiter
am MPI-BPC, will die Methode weiter vorantreiben. Wir haben ihn besucht.
J
eder Fremde muss klingeln, eine Kamera schützt das die supraleitenden Magnete im Inneren auf minus 271 Grad
Gebäude zusätzlich vor unbefugtem Zutritt. Gerade Celsius herunterkühlt. Diese Temperatur liegt nur etwa zwei
kommt Loren Andreas aus dem Untergeschoss die Treppe Grad über dem absoluten Nullpunkt.
herauf, wo die heiligen Hallen der NMR II liegen. „Tragen
Sie einen Herzschrittmacher oder andere implantierte Me- NMR als nützliches Werkzeug
talle?“ Diese Frage muss er allen Besuchern stellen, die er Eine der wichtigsten Anwendungen der NMR am
mitnimmt, hinab ins Reich der NMR-Spektrometer, deren Institut besteht darin zu verstehen: Wie sieht die drei
Magnetfeld hunderttausendfach stärker ist als das der Erde. dimensionale Struktur von Proteinen aus, die in der Zelle
Wie eine Schlange windet sich deshalb hier unten auf dem lebenswichtige Aufgaben übernehmen? Wie funktionie-
Fußboden eine Linie aus schwarz-gelben Aufklebern entlang. ren diese Proteine und wie verhalten sie sich in einer be-
„Sie markieren die 5-Gauss-Linie, die etwa dem 50-fachen stimmten Umgebung? Das Hauptforschungsgebiet von
des Erdmagnetfeldes entspricht“, erklärt Andreas. Nur in Andreas liegt im Bereich der Membranproteine, die viele
einem schmalen Bereich rund um die Schlangenlinie in der biologische Prozesse im Körper regulieren. Sie sind in
Halle ist der Aufenthalt für Besucher erlaubt. Außerhalb wir- die Lipid-Doppelschicht eingebettet, im Gegensatz zu
ken so starke Magnetfelder, dass alles Magnetisierbare un- löslichen Proteinen, die sich im Zytoplasma befinden. Auch
weigerlich angezogen wird, ob Schlüssel, Heftklammern Krankheitserreger nutzen diese Membranproteine, zum Bei-
oder Haarspangen. Auch Kameras, Handys, die EC-Karte spiel, um an Körperzellen anzudocken. Viele Medikamente
und der Mitarbeiterausweis können Schaden nehmen. und Therapien zielen deshalb auf diese Proteine. Wichtig ist es
Wie übermenschengroße Thermoskannen sehen die daher, den Aufbau und die Arbeitsweise der Proteine zu ver-
NMR-Spektrometer aus. Und im Prinzip sind sie das auch, stehen, doch es gibt eine große Herausforderung: Ihr Aufbau
denn sie halten ein Innenleben kühl, in dem supraleitende lässt sich mit den sonst üblichen Methoden der Strukturaufklä-
Magnete wirken. Nur bei sehr niedrigen Temperaturen kön- rung kaum analysieren, hier kommt die Festkörper-NMR ins
nen diese ein stabiles Magnetfeld aufbauen, das benötigt Spiel: „Sie zielt auf Proteine, die zu klein sind für andere Tech-
wird, um die Struktur von Molekülen wie beispielsweise niken wie zum Beispiel die Kryo-Elektronenmikroskopie“,
Proteinen zu untersuchen. Deshalb führen metallumman- erklärt Andreas. Letztere Technik hat in letzter Zeit eine Revo-
telte Zuleitungen Flüssiggas in die Behälter. Die starken lution erfahren und kommt vorrangig in den Laboren der Ab-
Spektrometer benötigen die kälteste Flüssigkeit, Helium, das teilungen von Patrick Cramer und Holger Stark zum Einsatz.
18 Im Porträt Im Porträt 19
(Foto: ibg)(Foto: ibg)
»Ich denke, dass zu viel Prüfen den
Fokus vom Lernen wegnimmt.“«
Loren Andreas
Mit Festkörper-NMR lassen sich Membranproteine in ihrer natürlichen Umgebung untersuchen.
Solid-state NMR can be used to study membrane proteins in their native environment.
Sie eignet sich gut für sehr große Einzelpartikel. „Wir hinge- Dass der Forscher irgendwann einmal ein Faible für NMR Einstieg in die NMR damals fremder. Ich kam nach Deutschland und alles wirkte
gen konzentrieren uns auf kleine Proteine jenseits der unteren entwickeln würde, war in seiner Kindheit zumindest nicht An seiner Universität, dem Oberlin College in Ohio, reizte sehr vertraut“, sagt er. Das mag daran liegen, dass seine Mut-
Grenze dieser Techniken“, sagt der Forschungsgruppenleiter. abzusehen. „Ich gehöre nicht zu denjenigen, die schon als ihn die Kombination aus wissenschaftlicher Hochschule ter deutscher Abstammung ist und die Oma manchmal zu
Kleinkind wussten, dass sie irgendwann einmal Chemie stu- und Konservatorium, es vereinte seine beiden Leidenschaf- Hause deutsch sprach. Aber auch der Besuch der Waldorf-
Festkörper-NMR öffnet neue Türen dieren würden“, sagt er und seine blauen Augen blitzen ten Musik und Naturwissenschaften auf einem Campus. Als schule hatte großen Anteil an diesem Vertrautheitsgefühl.
Die NMR basiert auf dem unterschiedlichen Verhalten dabei schelmisch. Student bei Manish Mehta kam er dort erstmals mit NMR „Es gab wirklich viele solcher aha-Momente: Ich dachte,
von magnetisch aktiven Atomkernen unter dem Einfluss Hinzu kommt, dass er auch eine Schule besucht hat, die in Berührung und entwickelte schnell eine große Begeis etwas sei typisch Waldorf, dabei war es eine deutsche Tradi-
starker Magnetfelder. Abhängig von der Nachbarschaft der in den Vorurteilen der Menschen nicht gerade als Naturwis- terung für diese Messmethode. Da war es nur folgerichtig, tion, zum Beispiel der Martinstag mit dem Laternenumzug.“
Atomkerne in einem bestimmten Molekül sind die aus- senschaftlerschmiede gilt – eine Waldorfschule. Hat ihn das dass er auch später am Massachusetts Institute of Technology Wenn heute seine Kinder diese Dinge in der Kita erleben,
gehenden Signale unterschiedlich. Diese wiederum nutzen anders motiviert als eine „gewöhnliche“ Einrichtung? „Die in Cambridge (USA) seine Doktorarbeit auf diesem Gebiet erinnert ihn das an die eigene Kindheit.
die Forscher, um die chemische Umgebung und damit die Frage stellt man mir ständig und ich habe keine Antwort, anfertigte. Vom Europäischen Zentrum für Hochfeld-NMR in Das ist nicht der einzige Grund, warum er sich in Göttingen
Struktur des Moleküls zu bestimmen. „Die Lösungs-NMR da ich die anderen Schulen niemals kennengelernt habe Lyon (Frankreich), dem Centre de RMN à Très Hauts Champs, so wohl fühlt. Der andere ist die Forschung. „Die Abtei-
basiert auf der sehr schnellen Taumelbewegung kleiner und mir der Vergleich fehlt“, sagt er nachdenklich. „Aber es wo er zweieinhalb Jahre als Postdoktorand arbeitete, kam er lung von Christian Griesinger erwartet die Lieferung eines
Moleküle“, erklärt Andreas. war ein schöner Ort für ein Kind, viel Geschichtenerzählen, 2016 als Forschungsleiter an das MPI-BPC. 28 Tesla NMR-Spektrometers mit 1,2 Gigahertz, zuvor war
Natürlicherweise sind Membranproteine in eine Lipid Kunst und Musik. Der akademische Überbau, die abstrak- Erst kürzlich ereilte ihn die Nachricht, dass die American das höchste Magnetfeld 1 Gigahertz. Das wird großen Ein-
Doppelschicht eingebettet, die insgesamt zu groß ist, als ten Inhalte kamen erst später.“ Chemical Society ihn in die diesjährige Liste der Talented 12 fluss darauf haben, wie wir die Festkörper-NMR weiterent-
dass die Moleküle schnell genug taumeln könnten. Erst Ihm gefiel neben Naturwissenschaften und Technik aufgenommen hat. Mit diesem Preis würdigt die Gesellschaft wickeln können.“
das sogenannte Magic Angle Spinning (MAS), bei dem die besonders die Musik, auch eine Geige hat er in seiner Schul- herausragende Nachwuchswissenschaftler. „Eigentlich hatte Sein Ziel ist es, dabei zu helfen, die Methode so zu ver-
Proben selbst mit hoher Geschwindigkeit auf einem Luft- zeit selbst gebaut. Generell schätzte er an der Schule, dass ich ja nicht vorgehabt, in diesem Sommer zu weit zu reisen, ändern, dass nicht mehr sechs Jahre Doktorarbeit und viel
kissen rotieren, brachte Fortschritte. Auch indem man die der Fokus nicht auf dem Abfragen von Inhalten, sondern weil meine jüngste Tochter Anfang Juli geboren wurde.“ Aber Expertenanalyse nötig sind, um ein Projekt abzuschließen.
Protonen teilweise durch Deuterium ersetzt, lässt sich die auf Neugier und Entdeckerfreude lag. „Ich denke, dass zu dann flog er doch für ein paar Tage nach San Diego, um den Er möchte die Methodik beschleunigen und mehr Zugäng-
Signalqualität verbessern. „Unsere Gruppe hat ganz generell viel Prüfen den Fokus vom Lernen wegnimmt.“ Und was Preis engegenzunehmen, eine ganz neue Erfahrung für ihn. lichkeit und Routine in die Festkörper-NMR bringen. „Ich
einen Methodenfokus. Diese Technik befindet sich noch in ist mit den Inhalten, gab es da später nicht einige Wissens „Normalerweise gehe ich nicht zu Chemiker-Meetings, son- liebe dieses Forschungsgebiet – und die Umgebung und
der Entwicklung, weshalb wir immer noch hart daran arbei- lücken? Natürlich habe es später bei einigen Themen Nach- dern nur zu Veranstaltungen im Bereich NMR oder Biologie. Unterstützung hier am Institut eignen sich perfekt dafür. Der
ten, über den Tellerrand hinauszuschauen, Probleme anzu- holbedarf an der Universität gegeben, trotzdem habe er sein Sie eignen sich hervorragend, um Kooperationen zu finden Abschied wird mir später schwerfallen.“ (is)
gehen und neue Wege zu finden, um bessere Informationen Chemiestudium schneller als üblich beendet. „Also war und zu sehen, was in der Biologie los ist“, erzählt er.
zu erhalten – zum Beispiel, indem wir unser Equipment pro- meine Schulausbildung offensichtlich kein Problem“, fügt er Und zurück in Deutschland, kommt da oft Heimweh
grammieren“, erklärt Andreas. lächelnd hinzu. auf? „Das klingt seltsam, aber Frankreich erschien mir
20 Im Porträt Im Porträt 21« I think that too much testing takes
the focus away from learning.»
Loren Andreas
Searching for the perfect spin
Solid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is still under development,
especially in biophysics. Loren Andreas, Research Group Leader at the MPI-BPC,
hopes to further advance the method. We visited him.
E
very stranger has to ring the bell and a camera protects NMR as a useful tool
the building from unauthorized access. Loren Andreas One of the most important applications at the institute is
is just coming up the stairs from the basement where to understand: How does the 3D structure of proteins look?
the holy halls of the NMR II are located. “Do you wear a How do proteins work and how do they behave in a par-
pacemaker or other implanted metals?” This is the question ticular environment? The research of Andreas is focused on
he has to ask all visitors he takes with him down into the membrane proteins which regulate a lot of processes in living
realm of NMR spectrometers. Their magnetic field is hun- cells. They are inserted in a lipid membrane, unlike soluble
dreds of thousands of times stronger than that of the Earth. proteins in the cytoplasm. Pathogenic bacteria use those
Like a snake, a line of black and yellow stickers winds its membrane proteins, for example, to anchor themselves on
way along the floor. “They are marking the 5 Gauss line, their host cell and to cause an infection. Many drugs and ther-
about 50 times of Earth’s magnetic field strong,” explains apies therefore target these proteins. To do so, it is important to
Andreas. Visitors are only allowed to stay in a narrow area understand the protein’s structure and mode of ac-
around this line in the hall. Outside this range, magnetic tion, but there is one huge challenge: their structure
fields are so strong that everything that can be magnetized can hardly be analyzed using the typical techniques
is inevitably attracted, be it keys, staples, or hair clips. Cam- for structure determinations. This is where solid-state
eras, mobile phones as well as the EC and employee ID card NMR comes into play: “It targets proteins that are too
can also be damaged. small for other techniques such as cryo-electron micros-
The NMR spectrometers look like superhuman-sized ther- copy,” Andreas emphasizes. The latter technology has
mos flasks. And in principle that is what they are, because recently experienced a revolution and is primarily used in
they keep their inner life cool, in which superconducting the laboratories of Patrick Cramer, Reinhard Lührmann, and
magnets act. Only at very low temperatures these magnets Holger Stark. It is well suited for very large single particles.
can build up a stable magnetic field, which is needed to “We, in contrast, concentrate on small proteins beyond the
investigate the structure of a specific molecule such as a lower limit of these techniques,” the group leader tells.
protein. This is why metal-sheathed feed lines conduct cryo-
gens into the containers. The strong spectrometers need the Solid-state NMR opens new doors
coldest liquid, helium, which cools the superconducting NMR is based on the different behavior of magnetically
magnets inside down to minus 271 degrees Celsius. This active atomic nuclei under the influence of strong magnetic
temperature is only about two degrees above absolute zero. fields. Depending on the neighborhood of the atomic nuclei
(Photo: ibg)
22 Im Porträt Im Porträt 23in a specific molecule, the outcoming signals are different. would eventually study chemistry,” he says with his blue eyes Manish Mehta, he came into first contact with NMR there familiar,” he says. This may also be due to the fact that his
These, in turn, are used by the researchers to determine the flashing mischievously. In addition, he has also attended a and quickly developed a great enthusiasm for this method. mother is of German descent and his grandmother some-
chemical environment and the molecule´s structure. “Solu- school which, in people‘s prejudices, is not exactly regarded So, it was only logical that he later did his PhD in this times spoke German at home. But attending the Waldorf
tion NMR relies on really fast tumbling of small molecules,” as a science smithy – a Waldorf school. Did that encourage field at the Massachusetts Institute of Technology in Cam- School also played a big part in this. “There were really
Andreas clarifies. him differently than an ordinary institution? “People ask that bridge (United States). From there, he moved on to the many such aha moments: I thought something was typical of
Native membrane proteins are embedded in a lipid bi- all the time and I have no answer, because I have never European Centre for High Field NMR in Lyon (France), the Waldorf, but it actually was a German tradition, for example
layer which in total is too large to allow proteins to tumble attended the other schools and I lack comparison,” he adds Centre de RMN à Très Hauts Champs, where he worked as St. Martin‘s Day with the lantern procession.“ When his
fast enough. Only Magic Angle Spinning (MAS), in which thoughtfully. “Especially in the younger years it was cer- a postdoc for two and a half years, before he came to the children experience these things in the day care center today,
the samples themselves are rotated at high speed on an tainly a nice environment to be, lots of storytelling, arts, and MPI-BPC as research group head in 2016. it reminds him of his own childhood. That is certainly not the
air cushion, brought progress. The signal quality can also music. The academic skim, the abstract things came later.” Only recently, he was informed that the American Chemi- only reason why he feels so much at home in Göttingen. The
be improved by partially replacing the protons in the pro- In addition to science and technology, he particularly liked cal Society had included him in this year‘s list of Talented 12. other is research. “The department of Christian Griesinger
tein with deuterium. “In general, our group has a method’s music, and he also built a violin himself during his school With this award, the society honors outstanding young scien- expects the delivery of a 28 Tesla NMR with 1.2 gigahertz,
focus. This technique is still being developed so we are days. In general, he appreciated the fact that the focus at tists. “Actually, I had not intended to travel too far this summer previously the highest magnetic field was 1 gigahertz. This
working hard trying to think out of the box while approach- school was not on retrieving content, but on curiosity and because my youngest daughter was born at the beginning of will have a big influence on how we can further develop
ing problems and thinking of new ways to obtain better the joy of discovery. “I think that too much testing takes July.” But then he flew to San Diego for a few days to receive the solid-state NMR in the future.”
information – so for example programming our equipment,” the focus away from learning.” There was some catching up prize, a completely new experience for him. “Normally, I don‘t His goal is to help change the method so that it no
Andreas notes. to do at the university later on, but he still completed his go to chemists’ meetings, usually most of my meetings are longer takes six years of PhD time and real expert
chemistry studies faster than standard. “So, my school edu- in the field of NMR or biology. They are great places to find analysis to finish one project. He wants to help speed
An unusual school education in the United States cation was obviously no problem,” he adds smiling. collaborations and see what‘s going on in biology,” he up the methodology and bring more accessibility
In his childhood in Boulder, Colorado, Andreas could not At his university, Oberlin College in Ohio, he was at- points out. and routine to solid-state NMR. “I love this field of
have foreseen that he would eventually develop a soft spot tracted by the combination of a scientific college and a And back in Germany, does he often feel homesick? “That research – and the environment and support here at the
for nuclear magnetic resonance spectroscopy. “I was not one conservatory, combining his two passions music and nat- may sound funny, but France seemed to be more different institute are perfect for it. It will be hard to leave one
of those children who knew when being a toddler that they ural sciences on one campus. As an undergraduate with to me. I came to Germany and everything seemed very day.” (is)
Fünf Fragen
5 questions to Loren Andreas
Welches Hobby könnten Sie sich vorstellen, zum Beruf Which super power would you like to have?
zu machen? Teleportation would certainly be practical, for both work and
Ich habe mich für Geigenbau interessiert. Leider wird das relatives overseas.
nicht sehr gut bezahlt.
Which hobby could you imagine to turn into a career? Wenn Sie völlig freie Wahl hätten – wo auf der Welt
I was interested in lutherie. Unfortunately, it doesn’t pay very würden Sie wohnen?
well. Hawaii, obwohl ich den Winter irgendwann vermissen
würde.
(Photo: ibg)
Wie tanken Sie nach einem harten Arbeitstag Energie? If you could choose freely – where would you live?
Mein Leben besteht im Wesentlichen aus Arbeit und Familie. Hawaii, although I would miss winter eventually.
Die Antwort ist wahrscheinlich: Ich schlafe.
How do you recharge your batteries after a tough day? Wenn Sie von etwas mehr haben könnten, was würden Sie
Drei Doktoranden und zwei Postdocs arbeiten in der Forschungsgruppe von Loren Andreas, zwei weitere Doktoranden aus der My life is essentially work and family. I suppose the answer wählen?
Abteilung Griesinger sind intensiv an den Messungen in der Festkörper-NMR beteiligt. is that I sleep. Teslas.
Von links / from left: Marcel Christian Forster, Kumar Tekwani Movellan, Xizhou Zhang, Riza Dervisoglu, Kai Xue, Loren Andreas, If you could have more of something, what would it be?
Eszter Najbauer, Jonas Mehrens. Welche Superkraft hätten Sie gerne? Teslas.
Three doctoral and two postdoctoral students work in the research group of Loren Andreas, two other doctoral students from the Teleportation wäre sicher angenehm, sowohl für meine
Griesinger’s department are intensively involved in the solid state NMR measurements. Arbeit als auch für die Verwandtschaft im Ausland.
24 Im Porträt Im Porträt 25Sie können auch lesen
