Crisp images of cold cells Wie ein Keil im Scharnier
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24. Jahrgang | Mai 2018
Neues aus der Forschung
Crisp images of cold cells
Nachrichten
Wie ein Keil im Scharnier
Jens Frahm für European
Inventor Award nominiert
Im Porträt
Neue Forschungsgruppen-
leiterin Juliane Liepe
INHALT
NEUES AUS DER FORSCHUNG NEUES AUS DEM INSTITUT
4 Forschungsgruppe Biologische Mikro- und Nanotechnologie: «The best X-ray home source available to date» 25
Crisp images of cold cells
Zukunftstag 2018: Labor und Werkstatt statt Schulbank 26
Mit dem E-Bike zum nächsten Termin 27
NACHRICHTEN
7 Wie ein Keil im Scharnier
MAX-PLANCK-CAMPUS AKTUELL
10 Schnelle MRT in der medizinischen Diagnostik –
4 Crisp images of cold cells 18 Zelluläre Müllverwertung für
Jens Frahm für European Inventor Award nominiert GWDG Info 28
die Gesundheit
14 ERC Advanced Grants für Marina Rodnina, Reinhard Jahn April, April! 28
und Markus Zweckstetter
16 Melina Schuh erhält Colworth-Medaille 2019
17 Hauke Hillen für herausragende Doktorarbeit ausgezeichnet
IM PORTRÄT
18 Zelluläre Müllverwertung für die Gesundheit –
neue Forschungsgruppenleiterin Juliane Liepe
7 Wie ein Keil im Scharnier 25 New X-ray home source
GÖTTINGEN CAMPUS AKTUELL
24 First graduate of German-Argentine PhD program
Titelbild: Das Titelbild zeigt Antitumor-Wirkstoffe, die der Protein-Komplex SF3B erkennt und bindet, wodurch der Hinweis: Obwohl aus Gründen der Lesbarkeit im Text die männliche
Zyklus des Spleißosoms moduliert wird. (Abbildung: Constantin Cretu / MPI-BPC) Form gewählt wurde, beziehen sich die Angaben stets auf Angehörige
beider Geschlechter.
Cover image: The cover art depicts antitumor compounds on their way to being recognized and captured by the
protein complex SF3B, thereby modulating the cyclic pathway of the spliceosome. (Image: Constantin Cretu / MPI-BPC)
created around the sample and front lens. An important ad- with decreasing temperature, HFE-7200 was a good candi-
vantage of our approach is that refractive index gradients due date for matching the design of our prototype based on a
to temperature variations in the immersion liquid are small Zeiss LD C-Apochromat 63/1.15 water immersion objective.
and not likely to distort the wavefront. To find the optimal working temperature, we com-
Equally important to the mechanical design of the objec- pared the point spread function (PSF) of our objective with
tive is the choice of the immersion medium. Aberration-free HFE-7200 immersion to the PSF at room temperature using
imaging requires the refractive index to be within at least the standard medium (Zeiss W2010, n = 1.334). The overall
~10 -3 refractive index units of the design value for the lens shape and symmetry of the PSFs are very similar at -140 °C
system. In addition, the immersion medium needs to be (HFE-7200) and at 23 °C (Zeiss W2010), indicating that the
optically clear, nonfluorescent, and nontoxic, and needs to refractive index of HFE-7200 is well matched to the design
Crisp images of cold cells have low vapor pressure at the imaging temperature. Facile of the objective at this temperature. These results were con-
storage and handling, moreover, require that the liquid sistent across the entire field of view.
range should extend above room temperature. One of the key advantages of immersion objectives over
Thomas P. Burg Searching for a suitable immersion medium, we discovered air objectives is their light collection efficiency, which grows
Research Group of Biological Micro- and Nanotechnology that the partially fluorinated liquid ethoxynonafluorobutane as ~NA2. Indeed, we measured an increase in brightness of
(3M HFE-7200) has a surprisingly low refractive index (1.28) 5.7 ± 0.6 times from a 63/0.75 air objective to our 63/1.15
at room temperature and a liquid range from >70 °C to immersion objective at -140 °C. This was in agreement with
below -140 °C. HFE-7200 is also inexpensive, nontoxic, and the expected scale factor of ~NA4 for widefield fluorescence
safe for the environment. As the refractive index increases imaging.
M
icroscopy at cryogenic temperature has many ex- light microscopy is the lack of high numerical aperture (NA)
citing qualities. Cryofixed cells can be imaged in microscope objectives. The NA of an objective is the primary
a near native state with a combination of light, figure of merit that dictates its light-collection efficiency and
electron, and X-ray microscopy. A particular advantage of diffraction-limited resolution.
cryogenic cooling in fluorescent light microscopy is that Air objectives, which do not directly engage with the
bleaching is strongly reduced. However, cryofluorescence object, are fundamentally limited to NA values less than 1.
microscopy is technologically challenging. To avoid dam- Immersion objectives can surpass this limit by making physi- (a) (b)
age due to re-crystallization, the sample must be maintained cal contact with the sample via an immersion medium of Room Objective
below the glass transition temperature of water (-135 °C). At a refractive index greater than 1. At room temperature, im- NA > 1
temperature Heater
the same time, achieving the highest levels of resolution and mersion objectives constitute a cornerstone of practically all
contrast in light microscopy requires the use of immersion high-resolution light microscopy. But for imaging below the
Transition Ceramic front lens
objectives. glass transition of water, no satisfactory counterpart exists. cryo- mount
Until now, neither high-quality objectives nor any well- We have recently established a new method that for the immersion
matched immersion media for the required temperature first time enables high-quality immersion light microscopy
range existed. Here, we have overcome this challenge by a below the glass transition temperature of water. During im-
Coverslip
Cryogenic
new type of objective combined with the discovery of a new aging, our objective is not in thermal equilibrium. Instead, Sample
immersion medium that matches the refractive index of room an electrical heating system near the connection between a
temperature water at cryogenic temperature. We expect that ceramic front lens mount and the housing of the objective < -140 °C Cryomicroscopy
this work will be of great value for correlative light and elec- adjusts its power to maintain a stable temperature gradient
tron microscopy and for pushing the limits of superresolution across the lens mount (Fig. 1). Surprisingly, the small front
stage
light microscopy at cryogenic temperature. lens is able to withstand the deep temperature cycles without
Cryofluorescence imaging is of great interest in biologi- damage due to the precise matching of thermal expansion
cal microscopy. Using special preparation techniques, cells coefficients in our system and because of the small size of Fig. 1: (a) Immersion microscopy at cryogenic temperature is enabled by an objective in which the front lens and the objective
and biomolecules can be frozen to the temperature of liquid the front lens itself. body are not in thermal equilibrium. An electrical heater maintains a temperature gradient across the ceramic front lens mount.
nitrogen without ice crystallization. In this glassy – or vitri- As the metal housing of the objective is always at room (b) This principle was implemented using a standard Zeiss LD C-Apochromat 63/1.15 water immersion lens design.
fied – state, frozen samples are free from fixation artifacts, temperature during imaging, there is no risk of damaging the Abb. 1: (a) Ein neues Objektiv, dessen Frontlinse und Objektivkörper nicht im thermischen Gleichgewicht sind, ist die Grundlage für
highly photostable, and allow direct correlation with elec- numerous larger lenses composing the bioimaging objective. die Immersionsmikroskopie unter Kryobedingungen. (b) Prototyp eines Kryoimmersions-Objektivs basierend auf dem kommerziell
tron cryomicroscopy. A long-standing challenge in cryogenic At the same time, a thermally shielded microenvironment is erhältlichen Zeiss LD C-Apochromat 63/1.15 für Wasserimmersion.
4 Neues aus der Forschung Neues aus der Forschung 5
Fig. 2: (a) Bleaching is significantly reduced at -140 °C. This is shown here using yeast cells expressing GFP as an example. (b) Three-color
widefield cryofluorescence image of plunge frozen U2OS cells labeled with Alexa Fluor 488 (vimentin/cytoskeleton), Alexa Fluor 594
(Tom20/mitochondrial protein), and DAPI (cell nuclei). (Images: R. Faoro, M. Bassu. Cells and immunostaining: T. Stephan, S. Jakobs)
(Abbildung: Vlad Pena / MPI-BPC)
Abb. 2: (a) Photobleichraten bei -140 °C sind deutlich reduziert im Vergleich zu den Bleichraten bei Raumtemperatur. Die Abbildung
zeigt dies am Beispiel von GFP in Hefezellen. (b) Drei-Farben-Weitfeldfluoreszenzaufnahme rasch eingefrorener U2OS-Zellen, die
mit Alexa Fluor 488 (Vimentin/Zytoskelett), Alexa Fluor 594 (Tom20-Protein/Mitochondrien) und DAPI (Zellkerne) markiert waren.
(Bilder: R. Faoro, M. Bassu. Zellen und Immunhistochemie: T. Stephan, S. Jakobs)
The benefits of cryofixation and imaging in cryocondi- ed microenvironment around the sample by replacing the
tions are evident when comparing the bleaching rates at metallic front lens mount of the objective with an insulat-
room temperature and at -140 °C for GFP in yeast cells ing ceramic mount that was heated around its perimeter.
(Fig. 2a). A considerable improvement of both signal-to-
noise ratio and image quality was achieved in cryoconditions
A further enabling step was our discovery of an immersion
medium, HFE-7200, that provided accurate index matching
Wie ein Keil im Scharnier
where the photobleaching was suppressed by nearly two at a sample temperature below the glass transition of water.
orders of magnitude. We also established the possibility In the future, we believe that this method will enable the Im Kampf gegen Krebs entwickeln Wissenschaftler neue Medikamente, die
of resolving submicrometer cell structures by multicolor combination of advanced light microscopy, including total Tumorzellen an bisher ungenutzten Schwachstellen treffen sollen. Ein derartiger
cryofluorescence microscopy using our method. Figure 2b internal reflection fluorescence or STED, with electron cryo-
„wunder Punkt“ ist der Proteinkomplex SF3B. Forschern um Vlad Pena vom
illustrates the attainable image quality in widefield fluores- microscopy to help elucidate connections between structure
cence of immunostained U2OS cells at -140 °C. Networks and function at the subcellular and molecular scale. MPI-BPC ist es jetzt erstmals gelungen, im atomaren Detail zu entschlüsseln, wie ein
of mitochondria (Tom20 immunolabeled with Alexa Fluor Anti-Tumor-Wirkstoff an SF3B bindet und so dessen Funktion verändert. Die neuen
594-decorated antibodies) and vimentin filaments (Alexa
Fluor 488) were well resolved simultaneously. Original publication
Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage, um potenzielle Krebsmedikamente
In conclusion, we demonstrated a concept to approach Faoro* R, Bassu* M, Mejia YX, Stephan T, Dudani N, weiter zu verbessern, die bei SF3B ansetzen. (Molecular Cell, 12. April 2018)
diffraction-limited performance in high-NA cryofluores- Boeker C, Jakobs S, Burg TP: Aberration-corrected cryo-
cence microscopy with commercially available immersion immersion light microscopy. Proc Natl Acad Sci USA 115,
V
objectives. To achieve this, we created a thermally shield- 1204-1209 (2018). (*equal contribution) iele Krebsarten sind dank medizinischer Fortschritte zu Fehlern, produziert die Zelle veränderte Proteine, die die
inzwischen gut behandelbar. Ein Allheilmittel gegen zellulären Abläufe massiv stören können.
Krebs ist jedoch nach wie vor in weiter Ferne. Bei Die Idee der Forscher: Sie wollen die Funktion von SF3B
manchen Erkrankungen stoßen die verfügbaren Therapien manipulieren und so die Produktion bestimmter Proteine
Zusammenfassung an ihre Grenzen, weil der Tumor von vornherein nicht auf durcheinanderbringen, um Krebszellen zu töten. Dafür
die Behandlung anspricht oder nach einiger Zeit Resistenzen konnten sie bereits Wirkstoffe entwickeln, die an SF3B
M ikroskopie bei kryogenen Temperaturen hat viele
spannende Eigenschaften. Kryofixierte (vitrifizierte)
Zellen sind meist frei von Fixationsartefakten und können
Bislang existierten weder hochwertige Objektive noch ein
gut abgestimmtes Immersionsmedium für den in der Kryo-
mikroskopie erforderlichen Temperaturbereich. Vor Kurzem
ausbildet. Wissenschaftler forschen daher unter anderem
daran, wie sich Krebszellen an Stellen treffen lassen, die bis-
her kein Ziel von Wirkstoffen sind.
binden. Die Substanzen schalten SF3B allerdings nicht kom-
plett aus, sondern modulieren lediglich dessen Funktion.
Das führt dazu, dass einige Protein-Bauaunleitungen anders
in einem nahezu nativen Zustand mit einer Kombination gelang es uns, diese Herausforderung durch einen neuen Ein solcher, klinisch noch weitgehend unerprobter An- geschnitten werden. Diese Veränderungen treffen Krebs-
von Licht-, Elektronen- und Röntgenmikroskopie abgebildet konstruktiven Ansatz kombiniert mit der Entdeckung eines satzpunkt ist der Proteinkomplex SF3B. Er ist entscheidend zellen stärker als gesunde Zellen.
werden. Ein wichtiger Vorteil der Kryofluoreszenzmikro- neuen Immersionsmediums zu lösen. Das gewählte Immer- an den ersten Schritten der Herstellung von Proteinen be- „Leider wissen wir bisher jedoch fast nichts darüber,
skopie ist, dass Bleichraten (die Schwächung des Fluores- sionsmedium besitzt die interessante Eigenschaft, dass sein teiligt, den universellen Werkzeugen lebender Zellen. Da- wie genau diese Wirkstoffe mit SF3B in Kontakt treten und
zenzsignals mit der Zeit) stark reduziert sind. Die Lichtmikro- Brechungsindex unter Kryobedingungen dem Brechungs- mit eine Zelle Proteine produzieren kann, muss sie zunächst dessen Funktion beeinflussen“, sagt Vlad Pena, der am
skopie unter Kryobedingungen ist jedoch technologisch sehr index von Wasser bei Raumtemperatur entspricht. Wir er- deren Bauanleitungen in eine lesbare Form bringen. Da- MPI-BPC die Forschungsgruppe Makromolekulare Kristallo-
anspruchsvoll. Um Schäden durch Eiskristallbildung zu ver- warten, dass unsere Arbeit für die korrelative Licht- und für werden die Bauanleitungen von einer molekula- grafie leitet. „Diese Informationen sind aber wesentlich, um
meiden, muss die Probe stets unterhalb des Glasübergangs Elektronenmikroskopie von großem Wert sein wird und da- ren Maschine, dem Spleißosom, in einem komplizierten die Wirkstoffe so weit zu verbessern, dass sie als Krebs-
von Wasser (-135 °C) gehalten werden. Gleichzeitig erfor- bei hilft, die fundamentalen Grenzen der hochauflösenden Prozess zerschnitten und neu zusammengesetzt. SF3B medikamente infrage kommen.“
dert das Erreichen höchster Auflösungs- und Kontrastwerte in Lichtmikroskopie bei kryogenen Temperaturen zu erreichen. steuert hierbei als Teil des Spleißosoms, an welcher Stelle Penas Team ist nun in Zusammenarbeit mit dem
der Lichtmikroskopie den Einsatz von Immersionsobjektiven. die Bauanleitungen geschnitten werden. Kommt es dabei Pharmaunternehmen H3 Biomedicine ein entscheidender
6 Neues aus der Forschung Nachrichten 7
Schritt gelungen: „Wir konnten zum ersten Mal die drei- wichtig ist,“ berichtet Cretu. „Unsere Struktur von SF3B und
dimensionale Struktur von SF3B in Wechselwirkung mit Pladienolid B zeigt nun, dass genau diese Gruppe wesent-
einem Wirkstoff in atomarer Auflösung bestimmen,“ erläutert lich dazu beiträgt, dass der Wirkstoff direkt an SF3B
der Strukturbiologe. binden kann.“
Darüber hinaus kartieren die Daten der Forscher alle
Wertvolle Erkenntnisse für Wirkstoffoptimierung weiteren Kontakte zwischen Pladienolid B und SF3B. An-
Die Ergebnisse der Wissenschaftler enthüllen im Detail, hand dieser Informationen lässt sich voraussagen, an wel-
wie sich der Wirkstoff namens Pladienolid B an SF3B an- chen Stellen der Wirkstoff verändert werden kann und an
lagert und dessen Funktion stört. „Pladienolid B wirkt wie welchen nicht. „Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse eine
ein Keil in einem Scharnier und verhindert, dass sich SF3B
zusammenklappen kann. Diese Bewegung ist aber notwen-
Richtschnur sind, anhand derer sich neue Krebwirkstoffe ent-
wickeln lassen“, so Pena. (fk) Like a wedge in a hinge
dig, damit SF3B zuverlässig funktioniert“, erklärt Constantin
Cretu aus Penas Team und Erstautor der jetzt im Fachjournal In the fight against cancer, scientists are developing new drugs to hit tumor cells
Molecular Cell erschienenen Arbeit.
Die neuen Erkenntnisse erklären frühere Ergebnisse zu at so far unused weak points. Such a “sore spot” is the protein complex SF3B.
ähnlichen Wirkstoffen, denn Pladienolid B steht in der Arbeit Researchers led by Vlad Pena at the MPI-BPC have now succeeded for the first time
der Strukturbiologen stellvertretend für eine ganze Klasse an Originalveröffentlichung
chemischen Verbindungen, die in ihrer Gestalt stark vari- Cretu C, Agrawal AA, Cook A, Will CL, Fekkes P, Smith PG,
in deciphering in atomic detail how an anti-tumor agent binds to SF3B and how
ieren, aber eine wichtige Gemeinsamkeit haben: In ihrem Lührmann R, Larsen N, Buonamici S, Pena V: Structural it modulates its function. The new findings provide an important basis for further
Zentrum besitzen sie alle die gleiche chemische Gruppe. basis of splicing modulation by antitumor macrolide com- improving potential cancer drugs that target SF3B. (Molecular Cell, April 12, 2018)
„Bisher war unklar, warum diese chemische Gruppe so pounds. Mol Cell 70, 265-273 (2018).
T
hanks to medical advances, many types of cancer are dimensional structure of SF3B in interaction with an active
treatable nowadays. However, a panacea for cancer substance in atomic resolution,” the structural biologist re-
is still a long way off. With some cancer types the lates.
available therapies reach their limits because either the tu-
mor does not respond to the treatment from the onset or it Valuable insights for drug optimization
becomes resistant after some time. Scientists are therefore The scientists’ results reveal in detail how the active sub-
developing strategies to tackle cancer cells at spots that have stance pladienolide B attaches to SF3B and interferes with
not been the target of drugs so far. its function. “Pladienolide B acts like a wedge in a hinge
Such a clinically largely untested starting point is the and prevents SF3B from pivoting. This movement is neces-
protein complex SF3B. It is instrumental in the first steps sary for SF3B to function reliably,” explains Constantin Cretu,
of the production of proteins, the universal tools of living a researcher in Pena’s team and first author of the study now
cells. To produce proteins, the cell first needs to bring the published in the journal Molecular Cell.
protein blueprints into a readable form. To this end, the blue- The new insights explain previous results on similar ac-
prints are cut and recombined in a sophisticated process by tive substances, because pladienolide B is representative of
a complex molecular machine, the spliceosome. SF3B, as a whole class of chemical agents that vary greatly in their
part of the spliceosome, controls at which point the building form but share one important feature: They all have the same
instructions are cut. If errors occur in this step, the cell pro- chemical group in their center. “Until now, it was unclear
duces altered proteins which might severely disrupt cellular why this chemical group is so important,” Cretu says. “Our
processes. structure of SF3B and pladienolide B now shows that pre-
The idea of the researchers: They want to manipulate the cisely this group substantially contributes to the binding of
function of SF3B and thus mess up the production of certain the drug and related substances to SF3B.”
proteins in order to kill cancer cells. Scientists were already Moreover, the researchers’ data maps all further contacts
able to develop agents that bind to SF3B. These do not block between pladienolide B and SF3B. Based on these data one
SF3B completely but modulate its function, with the result can predict where the drug can be modified and where not,
that some protein blueprints are cut differently. These altera- Pena points out: “We hope that our insights will serve as a
tions affect cancer cells more than healthy cells. guide to developing novel anti-cancer agents in the future.”
“However, so far we know very little about how exactly (fk)
these substances interact with SF3B,” says Vlad Pena, who
heads the Research Group of Macromolecular Crystallo-
graphy at the MPI-BPC. “But this information is essential to
improve the agents so that they may serve as anti-cancer Original publication
Three-dimensional structure of SF3B in complex with the active agent pladienolide B (orange and red). (Image: Vlad Pena / MPI-BPC) drugs.” Cretu C, Agrawal AA, Cook A, Will CL, Fekkes P, Smith PG,
Dreidimensionale Struktur von SF3B im Komplex mit dem Wirkstoff Pladienolid B (orange und rot). (Abbildung: Vlad Pena / MPI-BPC) In collaboration with the pharmaceutical company Lührmann R, Larsen N, Buonamici S, Pena V: Structural
H3 Biomedicine, Pena’s team has now taken a decisive step: basis of splicing modulation by antitumor macrolide com-
“For the first time, we were able to determine the three- pounds. Mol Cell70, 265-273 (2018).
8 Nachrichten Nachrichten 9
Schnelle MRT in der medizinischen Diagnostik
Das Europäische Patentamt hat den Göttinger Physiker Jens Frahm vom MPI-BPC
als einen der drei Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2018 im Bereich
(Foto: Frank Vinken / MPG)
Forschung nominiert. Mit dem Erfinderpreis werden einzelne Erfinder und Teams
in fünf Kategorien ausgezeichnet, die mit ihren Entwicklungen dazu beitragen,
technische Antworten auf die wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit zu finden.
Die Gewinner werden am 7. Juni 2018 in Paris, Saint-Germain-en-Laye (Frankreich) gekürt.
M
it der Nominierung würdigt das Europäische ihren Drehimpuls, auch Kernspin genannt. Dieser Kernspin und die Messzeiten radikal um mindestens den Faktor 100 um minimal-invasive Eingriffe und Behandlungen zu beglei-
Patentamt Jens Frahms bahnbrechende Weiter- verwandelt die Atomkerne in winzige Magneten. Befinden verkürzen“, berichtet Frahm. Heute finden weltweit etwa ten, die bisher unter Röntgenkontrolle durchgeführt werden.
entwicklungen der Magnetresonanz-Tomografie sich diese in einem Magnetfeld, richten sie sich entlang der 100 Millionen Untersuchungen im Jahr statt; jede einzelne Die Echtzeit-MRT wird derzeit an der Universitätsmedizin
(MRT). In zwei Schritten ist es dem Wissenschaftler und sei- Magnetfeldlinien aus. Ein Magnetresonanz-Tomograf er- basiert auf Frahms Technologie. FLASH ist damit das bisher Göttingen und mehreren anderen Universitäten in Deutsch-
nem Team gelungen, die MRT um das bis zu 10 000-fache zeugt ein solches Magnetfeld und zusätzlich kurze Radio- erfolgreichste Patent der Max-Planck-Gesellschaft und ver- land, Großbritannien und den USA für den routinemäßigen
zu beschleunigen: Die Mitte der 1980er-Jahre entwickelte frequenzpulse im UKW-Bereich, die die Kernmomente kurz- half der MRT in der medizinischen Diagnostik zum Durch- Einsatz am Patienten getestet. (cr)
FLASH-MRT ist heute eines der bedeutendsten bildgeben- zeitig aus ihrem Gleichgewicht auslenken. Wenn sie wieder bruch.
den Verfahren in der klinischen Diagnostik und weltweit im in ihre ursprüngliche Ausrichtung zurückkehren, senden sie
Einsatz. Mit dem seit 2010 entwickelten FLASH2-Verfahren Radiowellen aus, die von hochempfindlichen Spulen aufge- Das schlagende Herz „live“ beobachten
schafften die Göttinger Forscher den Durchbruch hin zur zeichnet werden. Vielfach wiederholt, lässt sich aus diesen Im Jahr 2010 lösten Frahm und sein Team mit FLASH2
Echtzeit-MRT. Mit dieser Technik lassen sich erstmals Vor- Signalen am Computer ein Bild berechnen, das exzellente schließlich auch das Problem der hohen Zahl an erforder-
gänge im Inneren des Körpers in Echtzeit filmen. Darstellungen von Organen und Gefäßen ermöglicht. lichen Einzelmessungen. Einfach ausgedrückt ist FLASH2
Gibt es bei einer Person Auffälligkeiten im Hirngewebe? die FLASH-Technologie samt Videofunktion: Es verwen- Der Europäische Erfinderpreis
Wurden bei einem Unfallopfer innere Organe verletzt? Liegt 100 Millionen Untersuchungen jährlich mit FLASH det ein neues mathematisches Verfahren für die Bildrekon- wird 2018 zum 13. Mal vergeben und ist einer der wich-
ein Bandscheibenvorfall vor? Hat das Herz Schaden genom- Rund 12 Jahre nach ihrer Erfindung durch Paul Lauterbur struktion und kommt dadurch mit nur noch ganz wenigen tigsten Preise für Innovation in Europa. Er wird seit 2006
men? Um derartige Fragen zu beantworten, untersuchen 1973 revolutionierte Frahm mit seiner Technologie die MRT, Einzelmessungen pro Bild aus. Die Technik beschleunigte jährlich vom Europäischen Patentamt verliehen. Um sich für
Radiologen heutzutage Patienten mithilfe eines Magnetreso- indem er diese fundamental beschleunigte. Denn die MRT die MRT-Aufnahmen noch einmal deutlich und erlaubt es, die Auszeichnung zu qualifizieren, müssen die eingereichten
nanz-Tomografen – und der FLASH-Technologie. Damit las- hatte bis dahin einen massiven Nachteil: Für den Einsatz bis zu 100 Bilder pro Sekunde aufzunehmen. Vorschläge spezifische Kriterien erfüllen, wie beispielsweise
sen sich in kurzer Zeit präzise Schnittbilder unseres Körpers in der Medizin war sie schlicht zu langsam – eine einfa- FLASH2 macht Vorgänge im Inneren des Körpers live den Nachweis über mindestens eine erteilte europäische
erzeugen, mit denen sich besonders gut und genau krank- che Schichtaufnahme dauerte mehrere Minuten. Diese sichtbar – ein für die medizinische Diagnostik wesentlicher Patentierung der Erfindung durch das Europäische Patentamt.
hafte Veränderungen an praktisch allen Organen des Körpers langen Messzeiten entstanden durch die vielen Einzel- Fortschritt. Erstmals lassen sich Gelenkbewegungen, Sprech- Eine internationale, hochkarätig besetzte, unabhängige Jury
abbilden lassen. Zudem ist das Verfahren – im Gegensatz zu messungen mit unterschiedlicher Ortskodierung und bewegungen, Schluckvorgänge oder das schlagende Herz aus den Bereichen Wirtschaft, Politik, Wissenschaft und
Röntgentechniken wie der Computer-Tomografie – für den der dazwischen nötigen Wartezeit. „Unsere Idee in den direkt beobachten und Rückschlüsse darauf ziehen, warum Forschung prüft dabei, inwieweit die nominierten Erfinder
Menschen gesundheitlich völlig unbedenklich. 1980er-Jahren war es, für jede Einzelmessung nur einen Teil das Knie beim Beugen schmerzt, jemand unter Sodbren- mit ihrer Arbeit zu technischem sowie gesellschaftlichem
Die MRT macht sich eine besondere Eigenschaft der im des verfügbaren MRT-Signals zu nutzen. Mit diesem physika- nen leidet, stottert oder Schmerzen im Brustbereich hat. Die Fortschritt, zum Wohlstand und zur Schaffung von Arbeits-
Körper allgegenwärtigen Wasserstoff-Atomkerne zunutze: lischen Trick konnten wir die Pausen vollständig eliminieren neue Technik könnte in Zukunft zudem eingesetzt werden, plätzen in Europa beigetragen haben.
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Fast MRI in medical diagnostics
The European Patent Office has nominated physicist Jens Frahm of the MPI-BPC for
the European Inventor Award 2018 as one of the three finalists in the category
research. The prize is awarded in five categories and honors individual inventors and Real-time MRI visualizes movements within our body – here, stills are shown: A person swallows the natural contrast medium pineapple
teams who have helped find technical answers to the most pressing challenges of our juice (left). Natural movements within the human thorax are revealed (right), breathing and heartbeat are clearly visible in the movie. In
contrast to conventional MRI, thanks to the fast frame rate, the patient does not need to hold his breath and the imaging does not need
time. The winner will be elected in Paris, Saint-Germain-en-Laye (France) on June 7, 2018. to be controlled via the ECG signal. (Images: Jens Frahm / MPI-BPC)
I
n nominating Jens Frahm, the European Patent Office is many repetitions, the location-dependent signals generated speed of MRI scans and can capture up to 100 images per
honoring his breakthrough developments in magnetic can be used to compute an image that accurately captures second.
resonance imaging (MRI). In two steps, the scientist and details of organs and vessels. FLASH2 brings MRI to life as it renders processes within
his team succeeded in speeding up MRI by a factor of up the body visible – a landmark advance for medical diag- Jens Frahm
to 10,000: FLASH MRI, which has become one of the most 100 million scans a year with FLASH nostics. For the first time, it is possible to directly observe studied physics at the
important clinical imaging methods worldwide, was devel- Frahm’s technology revolutionized MRI around twelve joint movements, speech and swallowing processes as well University of Göttingen
(Photo: Frank Vinken / MPG)
oped in the mid-1980s. Then, in 2010, the researchers in years after its invention by Paul Lauterbur in 1973 by greatly as the beating heart in real time. It further allows to draw and carried out research
Göttingen achieved a breakthrough to real-time MRI with speeding up the process. Until then, MRI had a serious draw- conclusions, for example, about why a patient experiences for his PhD in physical
the FLASH2 method. FLASH2 makes it possible for the first back: For being used in clinical diagnostics, it was simply knee pain, has heartburn, stutters, or has chest pain. The chemistry at the MPI-BPC.
time to film processes inside the body in real time. too slow, with a single cross-sectional image taking several new technique could also potentially be used as an aid in He then worked as a
Does a patient have brain tissue abnormalities? Have an minutes to capture. This was due to the large number of minimally invasive surgery and other interventions that, until scientific assistant at the
accident victim’s internal organs been damaged? Is there a measurements with different spatial encodings needed and now, have been performed under X-ray control. Real-time same institute, where he
herniated disc? Is a patient’s heart function impaired? To an- the necessary pauses between them. “Our idea in the 1980s MRI is currently being tested for routine use on patients at headed the independent
swer such questions, radiologists turn to MRI – and FLASH was to use only part of the available MRI signal for each the University Medical Center Göttingen and at several other Biomedical NMR Research Group from 1982 to 1992.
technology. MRI rapidly delivers precise cross-sectional and measurement. This physical trick allowed us to eliminate the universities in Germany, the UK, and the United States. (cr) Frahm has been director at the Biomedizinische NMR
even three-dimensional images of the body. The technique pauses completely and to dramatically shorten the measur- Forschungs GmbH, a non-profit organization set up
is particularly good at detecting pathological changes in vir- ing times by a factor of at least a hundred,” Frahm explains. within the institute, since 1993. He habilitated at the
tually all organs of the body. Unlike X-ray methods, such Today, around 100 million MRI scans are performed every University of Göttingen in 1994 and became adjunct
as computed axial tomography (CAT scans), it is also com- year – all taking advantage of Frahm’s technology. FLASH professor at the university’s chemistry department in
pletely safe for patients. is the Max Planck Society’s most successful patent to date The European Inventor Award 1997. Frahm is listed as the inventor of four European
MRI exploits a special property of hydrogen nuclei, which and it has helped MRI to achieve a breakthrough in medical is a prestigious prize for innovation in Europe that will be patents.
are ubiquitous in the body: their angular momentum, also diagnostics. presented for the 13th time in 2018. It has been awarded He has received many prizes for his research work,
known as nuclear spin. Nuclear spin makes the atomic nu- annually by the European Patent Office since 2006. To including the European MRI Award of the German
clei act like tiny magnets. When exposed to a magnetic field, Live video of the beating heart qualify for the prize, submitted proposals must meet spe- X-Ray Society (1989), the Gold Medal Award of the
they align themselves along the magnetic lines of force. An In 2010, Frahm and his team finally solved the problem cific criteria, such as proof that the European Patent Office International Society for Magnetic Resonance in
MRI scanner generates this type of magnetic field as well of needing a large number of individual measurements. has granted at least one patent for the invention. A high- Medicine (1991), the Karl Heinz Beckurts Award
as short radio pulses in the VHF range, which temporarily To put it simply, FLASH2 is FLASH with video speed. calibre international jury from the worlds of industry, politics, (1993), the Research Award of the Sobek Foundation
nudge the nuclear spins out of their normal equilibrium state. It uses a new mathematical algorithm for reconstructing im- science, and research then reviews the extent to which the (2005), the Stifterverband Award (2013), and the Jacob
As they return to their original orientation, they emit radio ages from only very few measurements with different spatial nominated inventors have contributed to technical and social Henle Medal (2016). Frahm was elected into the Hall
waves that are then detected by highly sensitive coils. After encodings. The technique again significantly increases the progress, prosperity, and the creation of jobs in Europe. of Fame of German Science in 2016.
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ERC Advanced Grants für Marina Rodnina, Reinhard Jahn, Marina Rodnina
und Markus Zweckstetter (von oben).
Reinhard Jahn und Markus Zweckstetter (Fotos: ibg)
Im harten Wettbewerb um europäische Fördergelder haben sich auch in
diesem Jahr Wissenschaftler vom MPI-BPC durchgesetzt: Die Biochemikerin
Marina Rodnina, der Neurobiologe Reinhard Jahn und der Strukturbiologe
Markus Zweckstetter erhalten jeweils einen ERC Advanced Grant des Europäischen
Forschungsrats (ERC), der mit rund 2,5 Millionen Euro dotiert ist. Die EU zeichnet
damit Spitzenforscher aus, die bereits bahnbrechende wissenschaftliche Erfolge erzielt
haben und ein neues, vielversprechendes Projekt auf ihrem Gebiet angehen möchten.
M
arina Rodnina untersucht die Funktionsweise von ten wir mehr darüber lernen, wie ‚Störfälle‘ in der Protein- möchten wir verstehen, wie chemisch ganz unterschied- Welche Eigenschaften haben sie? Und welche Rolle spielen
Ribosomen – die Proteinfabriken lebender Zellen. fabrik vermieden werden. Speziell interessiert uns hierbei, liche Botenstoffe aufgenommen werden können, und das sie bei der Neurodegeneration?“, so Zweckstetter.
Proteine sind als „molekulare Arbeiter“ an prak- wie die Geschwindigkeit, mit der das Ribosom ein Protein sogar gelegentlich von demselben synaptischen Vesikel. Mit der Förderung durch den ERC wollen er und seine
tisch allen Vorgängen in lebenden Zellen beteiligt. Das herstellt, die Qualität von dessen Faltung beeinflusst. Das Nicht zuletzt wollen wir herausfinden, wie viel Botenstoff Mitarbeiter neue Techniken etablieren, um diese membran-
Ribosom stellt ein solches Protein her, indem es streng nach vom ERC bereitgestellte Geld hilft uns sehr, um hier wichtige ein synaptisches Vesikel maximal aufnehmen kann und auf- losen Organellen auf der Sub-Nanometer-Ebene unter-
Bauanleitung bestimmte Aminosäuren miteinander zu einer Wissenslücken zu schließen.“ klären, warum die Botenstoffe aus den Vesikeln nicht un- suchen zu können. Die Strukturbiologen möchten so ver-
langen Kette verknüpft. Doch erst, wenn diese Aminosäure- kontrolliert wieder ausströmen“, erklärt Jahn. „Diese Fragen stehen, wie diese Organellen reguliert werden, und hoffen,
kette in ihre korrekte dreidimensionale Struktur gefaltet ist, Verbessertes Verständnis der Signalübertragung sind von zentraler Bedeutung für unser Verständnis der dass mit diesen Erkenntnissen zukünftig verbesserte
ist das Protein funktionsfähig. Läuft bei diesem Prozess etwas Reinhard Jahn erforscht mit seinem Team, wie Nerven- Signalübertragung, wurden aber bislang eher vernachlässigt. Therapien für neurodegenerative Erkrankungen entwickelt
schief, können die Auswirkungen fatal sein: Fehler in der zellen miteinander kommunizieren. Um „Nachrichten“ mit Ich freue mich sehr, dass meinem Team und mir durch den werden können. (cr)
Proteinfaltung sind die Ursache vieler Krankheiten, darunter anderen Nerven- oder Muskelzellen auszutauschen, werden ERC Grant nun die finanziellen Mittel bereitstehen, diese
Alzheimer, Parkinson und andere neurodegenerative Erkran- Signale über spezielle Botenstoffe verschickt. Portionsweise spannenden Fragen anzugehen.“
kungen. verpackt liegen diese in kleinen Membranbläschen –
synaptischen Vesikeln – im Inneren der Nervenzelle bereit. Wie hängen membranlose Organellen mit neuro-
Wie werden Proteine funktionsfähig? Wenn elektrische Signale anzeigen, dass eine Nachricht degenerativen Krankheiten zusammen? Die ERC Advanced Grants
„Es gibt noch eine große Lücke in unserem Wissen, wie übermittelt werden soll, verschmelzen einige synaptische Markus Zweckstetter, der gleichzeitig am MPI-BPC werden vom ERC seit 2008 vergeben. Bewerben können
die neu hergestellten Proteine ihre Funktionsfähigkeit er- Vesikel der sendenden Zelle mit der Zellmembran und ent- und am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkran- sich Wissenschaftler, die als unabhängige Gruppenleiter ar-
reichen“, berichtet Rodnina. „Die Faltung vieler zellulärer leeren ihre Botenstoffe nach außen. Die empfangende Zelle kungen (DZNE) forscht, untersucht mittels NMR-Spektro- beiten und mindestens zehn Jahre exzellenter Forschung
Proteine beginnt bereits, während das Ribosom noch dabei nimmt das Signal auf und reagiert nach „Anweisung“, die je skopie Proteine, die bei neurodegenerativen Erkrankungen vorweisen können. Die Erfolgsquote liegt bei nur etwa zehn
ist, deren Aminosäureketten zusammenzusetzen. Wir möch- nach Botenstoff ganz unterschiedlich ausfällt. wichtig sind. Vor Kurzem gelang es ihm, die Anreicherung Prozent. In der diesjährigen, elften Wettbewerbsrunde wurden
ten in Echtzeit untersuchen, wann, wo und wie sich Proteine „Uns interessiert, wie die synaptischen Vesikel in nur eines fehlgefalteten Proteins in einem membranlosen Orga- 2 167 Anträge eingereicht. Insgesamt bewilligte der ERC da-
am Ribosom falten. Dazu hat mein Team in der Vergangen- wenigen Sekunden mit großen Mengen von Botenstoffen nell in der Zelle mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung von 269 Anträge mit einem Gesamtbudget von 653 Millionen
heit erfolgreich innovative Ansätze etabliert und ist hoch- beladen werden, denn mehr Zeit bleibt nicht, da es sonst zu bringen. „Wichtige Fragen für mich und mein Team sind Euro. Die einzelnen Förderprojekte werden über maximal
motiviert, diese weiterzuentwickeln. Darüber hinaus möch- zu Problemen bei der Signalübertragung kommt. Zudem nun: Wie entstehen diese membranlosen Organellen? fünf Jahre mit bis zu 2,5 Millionen Euro unterstützt.
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Melina Schuh erhält Colworth-Medaille 2019 Hauke Hillen für
herausragende Doktorarbeit ausgezeichnet
Die Biochemical Society ehrt die Biochemikerin damit für ihre herausragenden
Arbeiten zur Entwicklung befruchtungsfähiger Eizellen. Schuhs Forschung Die Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie (GBM) hat Hauke Hillen, Nach-
trägt dazu bei, mögliche Ursachen für Unfruchtbarkeit und chromosomale wuchswissenschaftler am MPI-BPC, mit dem diesjährigen Bayer Pharmaceuticals PhD Prize
Defekte wie das Down-Syndrom aufzuklären. Die Auszeichnung wird geehrt. Der Biochemiker erhält die Auszeichnung für seine Forschung zur Steuerung
ihr 2019 im Rahmen der Jahrestagung der Biochemical Society überreicht. einer molekularen Maschine, die in den Kraftwerken lebender Zellen die Gene aktiviert.
I U
ch war sehr begeistert, als mir mitgeteilt wurde, dass ich m ihren Energiebedarf zu decken, besitzen die
die Colworth-Medaille erhalten soll. Dieser Preis ist eine Zellen unseres Körpers eigene Kraftwerke, die
besondere Anerkennung meiner Forschung und ich danke Mitochondrien. Doch nicht nur ihre Funktion als
all jenen, die zu diesem Erfolg beigetragen haben – seien Energielieferant macht Mitochondrien besonders: Neben
es meine Mitarbeiter, Kollegen oder Mentoren“, freut sich dem Zellkern sind sie die einzigen Zellkompartimente, die
Schuh. über eigene DNA verfügen. Nach der Anleitung der in die-
Die Preisträgerin erforscht, wie befruchtungsfähige Ei- ser DNA gespeicherten genetischen Information stellen
zellen entstehen. Das Forschungsthema ist in unserer heuti- Mitochondrien Proteine für ihren eigenen Bedarf her. Den
gen Gesellschaft aktueller denn je: Immer mehr Frauen ent- ersten Schritt auf dem Weg von den mitochondrialen
scheiden sich erst spät für Nachwuchs, doch mit dem Alter Genen zu fertigen Proteinen führt eine spezielle moleku-
nimmt die weibliche Fruchtbarkeit ab und die Wahrschein- lare Maschine aus, die mitochondriale RNA-Polymerase. Sie
lichkeit für Fehlgeburten oder ein Kind mit chromosomalen aktiviert die Gene, indem sie eine Kopie der in ihnen ver-
Anomalien wie dem Down- oder dem Klinefelter-Syndrom schlüsselten Protein-Baupläne erstellt. Damit das reibungs-
steigt. Die häufigste Ursache dafür sind Fehler während der los funktioniert, wird die Polymerase bei dieser Aufgabe von
Reifeteilung der Eizelle, der Meiose, bei der die Eizelle ihren zahlreichen Faktoren gesteuert. Wie genau das passiert, war
Chromosomensatz halbiert. bisher allerdings weitgehend unbekannt.
„Wir wollen den Ablauf der Meiose im molekularen Detail Hillen ist es in seiner Doktorarbeit im Labor von
(Foto: ibg)
verstehen und untersuchen, wie Fehler bei der Halbierung Max-Planck-Direktor Patrick Cramer erstmals gelungen,
des Chromosomensatzes zustande kommen. Dieses Wissen die dreidimensionale Struktur mehrerer Komplexe aus
könnte zukünftig helfen, Frauen in ihren späten 30ern und mitochondrialer RNA-Polymerase und einer Reihe der
frühen 40ern ihren Kinderwunsch zu erfüllen“, so Schuh. sie steuernden Faktoren im atomaren Detail sichtbar zu
Für ihre Forschung entwickelt die Wissenschaftlerin neue machen. Entscheidend für diesen Erfolg war, dass Hillen Hauke Hillen
Methoden, mit denen sich die Meiose in Eizellen von Säuge- in aufwendigen Experimenten Kristalle dieser Komplexe studierte von 2007 bis 2013 Biochemie an der Universität
tieren auf molekularer Ebene analysieren lässt. Einige be- erzeugen konnte. Tübingen mit einem mehrmonatigen Forschungsaufent-
deutende Ursachen für Fehler bei der Meiose konnte Schuh „Die Ergebnisse zeigen im Einzelnen, wie die Faktoren halt im Labor von Jennifer Doudna am Howard Hughes
(Foto: Frank Vinken / MPG)
bereits aufdecken: Unter anderem fand sie heraus, dass mit der DNA und der mitochondrialen RNA-Polymerase in Medical Institute und an der University of California in
Chromosomen oft nicht korrekt an die zelluläre Maschinerie Kontakt treten und so Start und Verlauf des Kopiervor- Berkeley (USA). Anschließend begann er seine Doktorar-
gebunden sind, die die Chromosomenpaare trennt. Darüber gangs regulieren“, erklärt der Biochemiker. Die Arbeit trägt beit bei Patrick Cramer, zunächst am Genzentrum der
hinaus zeigte die Max-Planck-Forscherin, dass die Stabilität wesentlich dazu bei, zu verstehen, wie die Gene in den Universität München und ab 2014 am MPI-BPC. Seit
der Chromosomen in den Eizellen mit zunehmendem Alter Mitochondrien aktiviert werden, und bildet eine wich- seiner Promotion im Jahr 2017 setzt Hillen seine Arbeit
der Frau abnimmt. Beides kann dazu führen, dass die Meiose tige Grundlage, um diesen Prozess noch genauer zu unter- als Postdoktorand in der Abteilung Molekularbiologie am
unzuverlässig abläuft und die reife Eizelle zu viele oder zu suchen. (fk) Institut fort.
Melina Schuh wenige Chromosomen enthält. (ad)
studierte Biochemie an der Universität Bayreuth und
wurde 2008 nach mehrjährigen Arbeiten am European
Laboratory of Molecular Biology (EMBL) in Heidelberg
von der Universität Heidelberg promoviert. Im Die Colworth-Medaille
Anschluss wechselte sie nach Cambridge (England), der Biochemical Society wird seit 1963 jährlich an eine jun-
wo sie von 2009 bis Ende 2015 als Gruppenleiterin ge Biochemikerin oder einen jungen Biochemiker vergeben. Der Bayer Pharmaceuticals PhD Prize
am renommierten MRC Laboratory of Molecular Deren Forschungsarbeit muss zum Großteil im Vereinigten ist eine von drei Auszeichnungen, die die GBM für heraus-
Biology forschte. Seit Januar 2016 ist sie Direktorin am Königreich (Großbritannien und Nordirland) oder in der ragende Promotionsarbeiten verleiht. Jährlich wird mit dem
MPI-BPC und leitet dort die Abteilung Meiose. Für ihre Republik Irland durchgeführt worden sein. Nominiert wer- Preis ein Nachwuchswissenschaftler für seine Doktorarbeit in
Forschung wurde sie mehrfach ausgezeichnet, da- den können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die den Gebieten Biochemie und Molekularbiologie gewürdigt.
runter mit dem John Kendrew Young Scientist Award, bis zu zehn Jahre herausragender Forschung nach Abschluss Die Auszeichnung ist mit einem Preisgeld von 1 500 Euro
dem Biochemical Society Early Career Award, dem ihrer Promotion vorweisen können. Der von dem Unilever verbunden. Verliehen wird sie auf der traditionellen
Lister Research Prize, dem EMBO Young Investigator Research Colworth-Labor gestiftete Preis ist mit 3000 Briti- Frühjahrstagung der GBM in Mosbach, die in diesem Jahr
Award und dem BINDER Innovationspreis. schen Pfund dotiert. vom 22. bis 24. März stattfand.
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Zelluläre Müllverwertung
für die Gesundheit
Der „Abfallentsorger“ unserer Zellen, das Proteasom, zerkleinert ausrangierte
oder defekte Proteine und klebt einzelne Fragmente wieder zusammen. Welche
Rolle dieser Prozess für unser Immunsystem spielt, untersucht Juliane Liepe mit ihrer
neuen Forschungsgruppe Quantitative und System-Biologie seit März 2017 am
MPI-BPC. Dafür nutzt sie mit ihrem Team vornehmlich computergestützte Methoden.
I
ch habe nach der Schule zwischen Biochemie und Mathe- Research Fellow. Doch dann kam der Brexit und mit ihm
matik geschwankt, also habe ich während meines Studi- der Wunsch, den Inselstaat zu verlassen. „Ich war eigent-
ums Vorlesungen beider Fächer besucht“, erzählt die neue lich sehr glücklich in England. London ist eine tolle Stadt,
Forschungsgruppenleiterin. „Das Fach Numerik, bei dem wir die wissenschaftlich sehr viel zu bieten hat“, so die gebür-
auch gelernt haben, zu programmieren, hatte es mir beson- tige Belzigerin. „Aber als die Briten 2016 für einen Austritt
ders angetan. Richtig klasse fand ich, als die erste Professur des Vereinigten Königreichs aus der Europäischen Union ge-
für Bioinformatik an unsere Uni kam, denn das war beides stimmt haben, stand für mich fest, dass ich mich beruflich
kombiniert: Biochemie und Programmieren! Ab da war mir außerhalb des Vereinigten Königreichs umschauen werde.“
klar, dass ich nach dem Studium das Labor verlassen will“, Dass sie nach Göttingen gekommen ist, hat das Institut
erinnert sie sich. auch ihrem damaligen Chef und Doktorvater Michael
„So richtig“ habe sie das letzte Mal während ihrer Di- Stumpf, Leiter der Abteilung Theoretische System-Biologie
plomarbeit an der Universität Potsdam im Labor gestan- am Imperial College London, zu verdanken. „Michael
den. „Die Laborarbeit war einfach nicht mein Steckenpferd. Stumpf hat in Göttingen für seine Diplomarbeit geforscht
Da muss man – übrigens genau wie beim Programmieren – und dadurch das MPI-BPC kennengelernt, von dem er total
hundertprozentig dabei sein. Insofern war es, glaube ich, für begeistert war. Weil er so geschwärmt hat, habe ich mich
alle ganz gut, dass ich raus bin aus dem Labor“, gesteht sie hier beworben – und wurde schließlich angenommen“, freut
mit einem Augenzwinkern. sich Liepe.
Im Anschluss an ihre Diplomarbeit wechselte die Bio-
chemikerin an das Imperial College London in England und Ein Modell des Proteasoms als Abschiedsgeschenk
blieb für neun Jahre dort – zunächst für ein Masterstudium Als Abschiedsgeschenk erhielt sie von ihren Kollegen in
in Bioinformatik und theoretischer System-Biologie, später London ein Modell des Proteinkomplexes, der für ihre For-
für die Promotion, als Postdoktorandin und schließlich als schung von enormer Bedeutung ist. „Das hier ist ein Pro-
(Foto: ibg)
18 Im Porträt – Juliane Liepe Im Porträt – Juliane Liepe 19teasom, quasi die ‚Abfalltonne‘ der Zelle. Der Komplex sieht fläche präsentieren, könnten diese Peptide als Angriffsziel
aus wie ein Fass und ist innen hohl“, erklärt die Nachwuchs- neuer Immuntherapien eingesetzt werden. „Das Problem ist,
wissenschaftlerin. „Wenn eine Zelle ein Protein nicht mehr dass wir Peptide finden müssen, die nur im Tumor, nicht aber
benötigt, wird es zum Proteasom transportiert und dort in im gesunden Gewebe vorkommen“, betont Liepe. „Es gibt
kleinere Bestandteile, sogenannte Peptide, zerlegt. Einige bestimmte Mutationen, die der Tumor braucht, um wach-
dieser Peptide werden an die Zelloberfläche transportiert sen zu können. Wenn wir Peptide auf der Zelloberfläche mit
und dienen dort als Signalflaggen für unser Immunsystem. diesen Mutationen finden, können wir sicher sein, dass wir
Das Immunsystem erkennt, ob die Signalflaggen aus körper- damit Immunzellen generieren können, die gezielt Krebs-
eigenen oder fremden Peptiden bestehen. Präsentiert eine zellen angreifen und sich daher für die Krebstherapie
Zelle fremde Peptide – beispielsweise von Viren – auf ihrer eignen.“
Oberfläche, löst dies eine Immunabwehrreaktion aus.“
Doch das Proteasom kann noch mehr als nur Proteine
abzubauen. Vor etwa 14 Jahren entdeckten Forscher, dass
der Proteinkomplex zwei Fragmente, die er zuvor geschnit- » Unsere Forschung ist interessant
ten hat, zusammenkleben und so neue Peptide herstellen
kann. Dieser Prozess nennt sich Proteasom-katalysiertes für die Entwicklung
Peptid-Spleißen. Zunächst hat man dieses Peptid-Spleißen
durch das Proteasom für eine Kuriosität gehalten, etwas, das neuer Impfstoffe oder
(Foto: Frank Vinken / MPG)
wahrscheinlich keine Rolle für unser Immunsystem spielt.
„Aber vor etwa einem Jahr haben wir gemeinsam mit Ko-
Immuntherapien gegen Krebs. «
operationspartnern der Berliner Charité, der Universität in
Utrecht und des La Jolla Institute for Allergy and Immunology
herausgefunden, dass gut ein Drittel aller Peptide, die eine
Zelle auf ihrer Oberfläche vorweist, gespleißt sind. Es scheint Für ihre Forschung zur Regulation des Immunsystems
also eine größere Bedeutung zu haben“, berichtet Liepe. durch Peptide, die vom Proteasom gespleißt wurden, ko-
operiert Liepe mit anderen Gruppen weltweit. Auch am
Algorithmen sollen gespleißte Peptide vorhersagen MPI-BPC gibt es neben der Zusammenarbeit mit Henning
In ihrer Forschung will sie das Peptid-Spleißen genauer Urlaub noch weitere Kollaborationen: „Gemeinsam mit
untersuchen und klären, welche Funktion dieses Phänomen Holger Stark und Ashwin Chari wollen wir uns die Struktur Juliane Liepe (middle) and her research group members Artem Mansurkhodzhaev and Sarah Henze. (Photo: ibg)
für das Immunsystem hat. Ihr großes Ziel ist es, mithilfe von des Proteasoms genauer anschauen und unter anderem klä-
Computerprogrammen vorherzusagen, welche gespleißten ren, wie dort das Spleißen funktioniert. Mit Marina Rodnina
Peptide auf der Zelloberfläche vorkommen. Dafür erarbei- planen wir andere Projekte, die nichts mit dem Proteasom
tet die junge Wissenschaftlerin mit ihrem Team komplizierte zu tun haben. Aber bei diesen ist die Mathematik mit unse-
Cellular waste recycling for health
mathematische und bioinformatische Methoden, darun- rer verwandt und wir können deren Daten mit unseren leicht
ter Algorithmen, mit denen sich vom Proteasom gespleißte angepassten Algorithmen analysieren.“
Peptide identifizieren lassen. Zusammen versuchen die For-
scher, die Gesamtheit aller Peptide auf der Zelloberfläche Drei eigene Server für große Datenmengen
The “waste disposer” of our cells, the proteasome, shreds unneeded or
per Massenspektrometrie zu analysieren. Hierfür ist die Bei all diesen Vorhaben verarbeitet die neue Forschungs-
Service-Facility von Henning Urlaub am Institut unentbehr- gruppe große Datenmengen. Daher hat die Quantitative damaged proteins and joins individual fragments back together. Since March 2017,
lich. Die Ergebnisse gleichen die Wissenschaftler mit Daten- und System-Biologie drei eigene Server, die in den Räum- Juliane Liepe is investigating the role this process plays in our immune system
banken ab, um die einzelnen Peptidfragmente ihren Ur- lichkeiten des IT & Elektronik-Service am Institut unterge-
sprungsproteinen zuzuordnen, wie Liepe erläutert: „Wir bracht sind. „Unsere Server sind relativ klein verglichen
together with her new Quantitative and Systems Biology Research Group at the
kennen den Aufbau aller Proteine. Wenn wir auf ein Pep- mit dem, was in Turm 6 bei der GWDG oder der Abteilung MPI-BPC. To do so, she and her team are primarily using computational methods.
tid treffen, das in keiner Datenbank zu finden ist, ist dies Theoretische und computergestützte Biophysik steht. Es
ein erster Hinweis, dass es sich um ein gespleißtes Peptid ist alles recht überschaubar, aber deutlich stärker als ein
handeln könnte.“ kleiner Windows-Rechner, den man sich unter den Schreib-
A
Darüber hinaus will die Gruppe herausfinden, auf wel- tisch stellt“, sagt Liepe. fter secondary school, I wavered between biochemis- must be one hundred percent there – just like with program-
che Peptide unser Immunsystem anspricht und ob diese sich Wer jetzt Lust hat, bei ihr mitzuarbeiten, sollte zumin- try and mathematics, so in the end I attended lectures ming, by the way. I think it was good for all concerned that I
therapeutisch nutzen lassen, beispielsweise für die Entwick- dest die Grundlagen des Scriptens beherrschen: „Ich erwarte in both subjects during my studies,” the new research decided to stay out of the lab,” she confesses with a twinkle
lung von Impfstoffen oder für neue Immuntherapien gegen nicht, dass jemand ein Software-Entwickler ist. Ich suche group leader tells. “The subject of numerics, in which we in her eye.
Krebs. Denn das Immunsystem wehrt nicht nur Infektio- schon Naturwissenschaftler, wir wollen letztendlich ja Bio- also learned how to program, was particularly appealing. A Having completed her dissertation, the biochemist moved
nen ab. Es hilft außerdem dabei, gealterte, geschädigte oder logie oder Biochemie machen. Je nach Projekt braucht ein turning point was when the first professor of bioinformatics to Imperial College London in England, where she stayed for
krankhaft veränderte Zellen wie Krebszellen zu erkennen Bewerber eher den Hintergrund aus dem Labor oder bessere came to our university, because the field was a combination nine years, initially to do a master’s degree in bioinformatics
und zu beseitigen. Krebszellen können dem Immunsystem Programmierkenntnisse. Insgesamt ist meine Gruppe bunt of both: biochemistry and programming! That was the mo- and theoretical systems biology and later to complete her
allerdings durch verschiedene Strategien entkommen. Im- gemischt. Wichtig ist mir, dass die Leute etwas mitbringen, ment I realized I wanted to leave the lab after graduation,” doctorate. After that, she worked as a postdoctoral researcher
muntherapien zielen darauf ab, das Immunsystem in der- was ich nicht kann. So kann auch ich etwas Neues lernen. she recalls. and finally as a research fellow at the university. But then
artigen Fällen so zu unterstützen, dass die eigene, gegen Ansonsten brauchen künftige Teammitglieder einfach nur The last time Liepe “really” spent time in a laboratory was came Brexit and with it a desire to leave the island nation. “I
Krebszellen gerichtete Immunreaktion wieder aktiviert wird. Motivation, Rieseninteresse an dem, was sie machen, und when she was doing her dissertation work at the University was actually very happy in England. London is a wonderful
Kennt man die Tumorpeptide, die Krebszellen auf ihrer Ober- Spaß am Computer natürlich.“ (ad) of Potsdam. “Lab work simply was not my cup of tea. You city that has a lot to offer in the way of science,” she says.
20 Im Porträt – Juliane Liepe Im Porträt – Juliane Liepe 21You can also read
