Computergenerierte Darstellung der Struktur eines Makromoleküls© 3D-Rekonstruktion Apoferritin aus Kryo-EM Daten (des Mikroskops der AG Wendler) ©Thomas Bick, Wendler Labor@ Universität Potsdam

Eiskalter Blick auf Moleküle

Haben Sie schon einmal von molekularen Maschinen gehört? Was wie der Titel eines Science-Fiction-Films klingt, war schon immer Realität. Es hat sie bis vor Kurzem nur niemand gesehen.

Im Institut für Biologie und Biochemie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam machen Wissenschaftler*innen unter der Leitung von Prof. Dr. Petra Wendler die Strukturen und Wirkungsweisen von molekularen Maschinen sichtbar.

Die Welt der molekularen Maschinen ist winzig klein. Die Rede ist hier von Nanometern, also den Milliardsteln eines Meters. Zum Vergleich: Der Durchmesser einer DNA-Doppelhelix beträgt 2 bis 3 Nanometer. Zu finden sind die molekularen Maschinen in den Zellen von Lebewesen. Aber wie kamen sie zu ihrem Namen?

Biochemisch korrekt sind es komplexe Molekülstrukturen. Sie ähneln – stark vereinfacht – einem dreidimensionalen Puzzle aus vielen Teilen unterschiedlicher Form, Größe und Funktion. Als Gesamtkonstrukt sind sie in der Lage, spezielle Aufgaben in den Zellen zu erledigen. Weil die Gebilde wie ihre Verwandten aus der Welt der makroskopischen Technik Energie benötigen, um in der Zelle Arbeit zu verrichten, werden sie als molekulare Maschinen bezeichnet.

Kleine Maschinen mit großer Wirkung in den Zellen

Molekulare Maschinen sind zum Beispiel am Start, wenn es um Zellteilung, den Zellstoffwechsel oder um intrazellulare Transporte geht. Typische Funktionen sind DNA-Ketten aufzutrennen und zu verknüpfen oder Eiweiße zu transportieren. So würde ein Eiweißmolekül ohne Hilfe etwa vier Tage benötigen, um eine Zelle zu durchqueren. Die molekularen Maschinen schaffen den Transport quer durch die Zelle in nur etwa zehn Sekunden.

Tausende dieser molekularen Maschinen sind in jeder einzelnen Zelle aktiv. Um diese Vorgänge besser zu verstehen, ist es wichtig, die Maschinen bei ihrer Arbeit zu beobachten und Einblicke in ihre Struktur zu gewinnen. Dies gelingt unter anderem mit Hilfe der sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopie. Dabei werden die Proben bei etwa -195 Grad Celsius (daher „Kryo“, abgeleitet vom griechischem kryos für Kälte) gefroren und mit Elektronenstrahlen sichtbar gemacht. Hochleistungscomputer berechnen dann aus vielen Einzelbildern 3D-Strukturen oder Sequenzen dynamischer Vorgänge.

Förderung für die Wissenschaft als Hilfe für die Menschen

Die Forschungsgruppe um Professorin Wendler will das Entstehen schwerer Erkrankungen, die auf Fehlfunktionen molekularer Maschinen zurückzuführen sind, aufklären. Dazu zählen Muskeldystrophien oder neuronale Fehlfunktionen, aber auch Virusinfektionen oder Alzheimer.

Für die dafür benötigte technische Infrastruktur braucht die Wissenschaft Unterstützung. Fast 54.000 Euro erhielt die Universität Potsdam über die ILB für die Anschaffung eines technischen Geräts, welches die Effizienz bei der Kryo-Elektronenmikroskopie steigert und die Kompatibilität mit Mikroskopen an anderen wissenschaftlichen Einrichtungen herstellt. Bestehende Clusterprojekte können so besser und schneller bearbeitet werden.

Im Ergebnis tragen die Fördermittel dazu bei, dass die Forschung auf dem Weg zur Entwicklung neuer Therapieansätze für schwer erkrankte Menschen schneller vorankommt.