Molecular Structural Biology Molekulare Struktur

Forschungsabteilung
Research Department
Molekulare Strukturbiologie
Entdeckungsreise zu den Landschaften des Lebens
Molecular Structural
Biology
Expedition to the Landscapes of Life
P r o f . D r. W o l f g a n g B a u m e i s t e r
A
Prof. Dr. Wolfgang Baumeister
[email protected]
www.biochem.mpg.de/baumeister
uf den physischen Karten der Erde finden sich
keine weißen Flecken mehr, im zellulären
Nanokosmos dagegen gibt es noch unbekannte
Landstriche: Große Proteinkomplexe bilden hier
fragile molekulare Strukturen. Die Architektur
dieser Moleküle aufzuklären, ist eine Herausforderung, der sich Wolfgang Baumeister und sein
Team stellen. Als Pioniere der Strukturforschung
entwickelten sie Methoden, die faszinierende
Einblicke in die zelluläre Landschaft erlauben.
In jeder Zelle arbeiten unzählige molekulare
Maschinen unablässig daran, lebenswichtige Prozesse in Gang zu halten. Dazu gehören beispielsweise die zellulären Proteinfabriken (Ribosomen)
und „Häckselmaschinen“ (Proteasomen), die
defekte oder nicht mehr benötigte Proteine entsorgen. Aufgebaut sind die molekularen Maschinen aus Proteinen, die sich zu großen Komplexen
zusammengeschlossen haben. Wie funktionieren
diese Komplexe und wie arbeiten sie mit anderen
Zellbestandteilen zusammen? Für die Beantwortung dieser Fragen sind Informationen über ihre
Struktur unverzichtbar. Allerdings entzogen sich
viele große Molekülkomplexe lange dem Blick
der Strukturforscher, weil sie für die etablierten
Untersuchungsmethoden zu groß oder zu instabil
waren.
Die Informationsverarbeitung und -speicherung im Gehirn basiert auf der
Reizübermittlung durch Nervenzellen. Als Kontaktstellen zwischen zwei Nervenzellen,
an denen die Signalweitergabe erfolgt, dienen sogenannte Synapsen. Mit Hilfe
der Kryo-Elektronentomographie gelang es den Wissenschaftlern, die wichtigsten
Strukturelemente der Synapse in noch nie erreichter Genauigkeit darzustellen. Die
Abbildung zeigt die präsynaptische Endigung einer Nervenzelle. Hier befinden sich
zahlreiche Vesikel (gelb), die Neurotransmitter enthalten. Durch die Freisetzung der
Neurotransmitter in den synaptischen Spalt (rechts, hellgrün), werden Signale zum
postsynaptischen Komplex (orange) der nächsten Nervenzelle übertragen.
Neuronal communication underlies all forms of information processing and storage
in the brain, and takes place at specialized neuronal compartments called synapses.
Cryo-electron tomography revealed key structural components of this process at
unprecedented resolution. The illustration shows the presynaptic terminal, where
neurotransmitters contained in numerous vesicles (yellow) are released into the
extracellular space. The postsynaptic complexes (orange) and the components of the
synaptic cleft (right, light green) can also be seen.
O
n the physical maps of the world there are
no longer any white spots denoting “terra
incognita”, but in the nanocosmos of the cell,
by contrast, there are still unexplored areas and
uncharted territory: here large protein complexes
form fragile molecular structures. Wolfgang
Baumeister and his team have taken up the
challenge to elucidate the architecture of these
molecules. As pioneers of structural research they
have developed methods which allow fascinating
insights into the cellular landscape.
In each cell countless molecular machines
work ceaselessly to keep vital processes going.
These include for example the protein factories
(ribosomes) and the “shredders” (proteasomes),
which dispose of defective or no longer needed
proteins. This molecular machinery is made up
of proteins which have joined forces in large
complexes. How do these complexes function
and how do they work together with other
cell components? To answer these questions,
information about their structure is indispensable.
However, many of these large molecule
complexes have long eluded the scrutiny of
structural researchers, because they were
too large or unstable for established research
methods.
Live und in 3D – Schnappschuss in die Zelle
Ganz neue Möglichkeiten eröffnete Baumeister
der Strukturforschung mit einer bahnbrechenden
Entwicklung: Der Kryo-Elektronentomographie
(CET), mit der dreidimensionale Strukturen der
Zelle direkt untersucht werden können. Der Trick:
Die gesamte Zelle oder einzelne Zellbestandteile
werden blitzartig „schockgefroren“ und in glasartiges Eis eingeschlossen, sodass die fragile Zellarchitektur erhalten bleibt. Anschließend werden
aus verschiedenen Blickwinkeln zweidimensionale Bilder des Objekts aufgenommen, aus denen
dann ein dreidimensionales Bild rekonstruiert
wird. Mittels dieser Liveschaltung in die Zelle können sogar flüchtige Interaktionen zwischen Molekülen sichtbar gemacht und so nie dagewesene
Einblicke in die Zellfunktionen gewonnen werden.
Baumeisters Expertise trug entscheidend dazu
bei, dass die Baupläne molekularer Maschinen,
die an Proteinfaltung und - abbau beteiligt sind,
aufgeklärt werden konnten. Aber auch zahlreiche
andere Zellstrukturen interessieren die Wissenschaftler, zum Beispiel Ribosomen, Poren in der
Zellkernhülle, die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen (Synapsen) oder auch Membranen und
Zellwände. Langfristig wird so von immer mehr
Zellen ein dreidimensionaler Atlas erstellt werden
können, in dem es keine weißen Flecken mehr
gibt.
Live and in 3D – Snapshot into the Cell
Baumeister opened up totally new possibilities
for structural research with a groundbreaking
development: cryo-electron tomography (CET),
with which three-dimensional structures of the
cell can be investigated directly. The trick: The
entire cell or individual cell components are
shock-frozen and enclosed in glass-like ice, thus
preserving the delicate cell-like structure. Next,
two-dimensional images are taken of the object
from different perspectives, out of which then
a three-dimensional image is reconstructed. By
means of this live link into the cell, even fleeting
interactions between molecules can be made
visible, and insights into the cell function can be
gained which were never possible before.
With his expertise, Baumeister has made
a significant contribution to the successful
elucidation of molecular machines that are involved
in protein folding and degradation. But numerous
other cell structures also interest the scientists,
for example ribosomes, pores in the cell nucleus
membrane, the contact sites between nerve cells
(synapses) or membranes and cell walls. Hence,
from a long-term perspective, for more and more
cells it will be possible to create a 3D atlas, in
which there are no longer any white spots.
Prof. Dr. Wolfgang Baumeister
1973
PhD in Biology, University of Düsseldorf
1973 – 1980 Research Associate, Dept. of Biophysics, University of Düsseldorf
1978
Habilitation in Biophysics, University of Düsseldorf
1981 – 1982 Heisenberg Fellowship, University of Cambridge, UK
1983 – 1988 Head of the Research Group Molecular Structural Biology at the MPI of Biochemistry, Martinsried,
Germany
Since 1988 Director of the Department Molecular Structural Biology at the MPI of Biochemistry, Martinsried,
Germany
Since 2000 Honorary Professor of Chemistry and Physics, TU Munich
Wolfgang Baumeister has been honored with numerous awards for his research including the Otto Warburg Medal
of the German Society for Biochemistry and Molecular Biology (1998), the prize of the Geneva-based Louis-Jeantet
Foundation for Medicine (2003), the Ernst Schering Prize (2006), the Schleiden Medal of the German Academy of
Sciences Leopoldina (2005) and the Harvey Prize in Science and Technology of the Technion, Haifa (2005).
Endstation für Proteine: Das
26S-Proteasom ist eine
molekulare Maschine, die
defekte oder nicht mehr
benötigte Proteine in kleinere
Stücke zerlegt. Den Abbau
bewerkstelligt der zentrale
Komplex, das 20S-Proteasom.
Dieses ist vom Bakterium bis
zum Menschen einheitlich
aufgebaut. In den Zellen von
Eukaryonten assoziiert das
20S-Proteasom mit ein oder
zwei regulatorischen
Komplexen, die den Abbau
von Substraten – unter
anderem durch deren
Entfaltung – vorbereiten
(links). Die Tripeptidyl­
peptidase II (TPPII) baut die
vom Proteasom generierten
Fragmente weiter ab (rechts).
End of the line for proteins:
The 26S proteasome is a
large molecular machine
that degrades defective
or redundant proteins into
smaller fragments. The
degradation is carried out
by the core module, the
20S proteasome, which
has a conserved structure
in all living organisms from
prokaryotes to humans. In
eukaryotic cells the core
complex associates with one
or two regulating complexes
preparing substrates for
degradation, which includes
their unfolding (left). The
tripeptidyl peptidase II (TPPII),
an even larger complex,
further degrades the protein
fragments released by the
proteasome (right).
Selected Publications
Brandt, F., S.A. Etchells, J.O. Ortiz, A.H. Elcock, F.-U. Hartl and W. Baumeister
(2009) “The native 3D organization of bacterial polysomes”, Cell 136, 261-271.
Beck, M., V. Lucic, F. Förster, W. Baumeister and O. Medalia (2007) “Snapshots
of nuclear pore complexes in action captured by cryoelectron tomography”,
Nature 449, 611-615.
Robinson, C.V., A. Sali and W. Baumeister (2007) “The molecular sociology of
the cell”, Nature 450, 973-982.
Research Group Leaders
Dr. Radostin Danev, Dr. Harald Engelhardt, Dr. Vladan Lucic, Dr. István Nagy,
Dr. Jürgen Plitzko, Dr. Beate Rockel
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