Teilprojekt A1

Im Rahmen des Projektes protP.S.I. soll der Prozessparameter Druck zur Optimierung von biotechnologischen Prozessen eingesetzt werden. Allerdings sind die Mechanismen, wie sich Druck auf die Struktur und Funktion von Proteinen auswirkt, bisher weitestgehend unbekannt. Ziel ist es, auf Basis der im Projekt protP.S.I. gewonnenen Erkenntnisse druckstabile Enzyme für die industrielle Anwendungen zu entwicklen.

Im Teilprojekt A1 werden daher Methoden zu „Röntgenstrukturanalyse unter Druck“ erforscht. Diese Arbeiten beinhalten die Entwicklung einer neuartigen Hochdruckzelle für die serielle Röntgenkristallographie unter Druck, mit deren Hilfe Strukturdaten der untersuchten Proteine mit atomarer Auflösung erhalten werden sollen.

Basierend auf diesen Strukturdaten soll die Stabilität und Aktivität von industriell relevanten Enzymen unter Druck besser verstanden werden und im Idealfall durch Comuterberechnungen vorhersagbar gemacht werden. Komplementär dazu planen wir die Stabilität und Funktion von bereits an hohen Druck angepasste Proteine, wie sie natürlicherweise in der Tiefsee vorkommen, zu untersuchen.

Die drei Partner des Teilprojektes A1 stellen sich hier nun im Einzelnen vor:

1) Suna-precision GmbH

Die suna-precision GmbH ist ein kleines Unternehmen, dass sich auf die Herstellung von hochpräzisen Instrumenten für Experimente mit Röntgenstrahlung spezialisiert hat. Eine Schwerpunkt bilden dabei Instrumente und Probenumgebungen für die serielle Kristallographie. Neben den mechanischen Entwicklungen bietet die suna-precision GmbH auch eine komplette Softwareansteuerung der von ihr entwickelten Gerätschaften an.

Im Rahmen des Teilprojektes A1 entwickelt die suna-precision GmbH zwei Hochdruckzellen, die im Anschluss am Messplatz P11 zur Untersuchung der Proben unter Hochdruck eingesetzt werden sollen. Die Arbeiten hierzu umfassen dabei die Konzeption der Hochdruckzelle, die Auswahl geeigneter Materialien, Berechnungen und Simulationen zur Druckstabiltät und die Fertigung und Montage der Zellen. Im weiteren Velauf des Projektes sollen die entwickelten Hochdruckzellen dann um die Möglichkeit einer vollautomatischen Probenzuführung sowie einer computergesteuerten Beimischung von Prozessgasen und anderen Substraten erweitert werden.

www.suna-precision.com

2) Arbeitsgruppe FS-BMX des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY)

Die Arbeitsgruppe FS-BMX (Biomedical Research with X-Rays) bei DESY in Hamburg, einem Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft, unter der Leitung von Dr. Alke Meents entwickelt Methoden zur Strukturuntersuchung biologischer Proben mit hochbrillianter Röntgenstrahlung. Einen Schwerpunkt bildet dabei neben der Röntgenmikroskopie die serielle Proteinkristallographie an Synchrotronquellen und Röntgenlasern (XFELs).

Im Rahmen des A1 Teilprojektes soll eine von der suna-precision GmbH entwickelte Hochdruckzelle am P11 Messplatz des PETRA III Speicherringes integriert und geeignete Messroutinen entwickelt werden. Der Messplatz P11 ist aufgrund seiner Flexibilität und den zur Verfügung stehenden hohen Röntgenenergien besonders für die Strukturbestimmung von Proteinen unter Druck geeignet. Mit der entwickelten Methodik sollen dann Strukturbestimmungen an verschiedenen Proteinen als Funktion des Druckes durchgeführt werden. Dabei sollen sowohl einfache Testsysteme als auch Proteine der Projektpartner untersucht werden. Außerdem werden die protP.S.I. Allianzpartner der Technischen Universität Hamburg (Teilprojekte B1, C1/2 und C5) darin unterstützt, Kristalle ihrer industriell relevante Enzymsysteme zu züchten, diese mit der Hochdruckzelle zu untersuchen und die daraus resultierenden Daten zu analysieren. Abschließend soll die entwickelte Hardware und Methodik externen Nutzern für eigene Experimente zur Verfügung gestellt werden.

Zusätzlich soll in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Prof. Wilmanns vom EMBL (A1) und von Prof. Rarey von der Universität Hamburg (A2) die Struktur- und Funktionsanpassung von Tiefseeproteinen an ihr natürliches Habitat erforscht werden.

3) Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) Hamburg, Arbeitsgruppe Prof. Wilmanns

Das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) ist Europas führendes Grundlagen-forschungsinstitut in den Lebenswissenschaften. Mehr als 80 unabhängige internationale Forschungsgruppen arbeiten interdisziplinär zu Themen des gesamten Spektrums der Molekularbiologie am Hauptlaboratorium mit Sitz in Heidelberg sowie in den Außenstellen in Hamburg, Hinxton bei Cambridge, Grenoble, Monterotondo bei Rom und Barcelona.

Die Außenstelle in Hamburg befindet sich auf dem DESY-Campus in Bahrenfeld mit seinen weltführenden Infrastrukturen, die den Forschungsaktivitäten des EMBL mit Fokus auf strukturbiologische Themen dienen. Das EMBL Hamburg ermöglicht Wissenschaftlern der Mitgliedstaaten den Zugang zu Messstationen (Beamlines) für strukturbiologische Anwendungen in der Kristallographie und Kleinwinkel-röntgenstrahlung und zum Integrierten Zentrum für Probenvorbereitung und Charakterisierung (SPC EMBL Hamburg). Außerdem stellt es den Nutzern Softwarepakete zur Nachbereitung von Messdaten bereit und bietet regelmäßige Kurse und Konferenzen zu strukturbiologischen Themen an.

Die Kernaufgaben des 1974 als zwischenstaatliche Organisation gegründeten Instituts sind: molekularbiologische Grundlagenforschung; Ausbildung von Studenten, Wissenschaftlern und Gastwissenschaftlern; Serviceleistungen für Wissenschaftler in den Mitgliedstaaten; Entwicklung neuer Instrumente und Methoden für die Forschung sowie aktiver Technologietransfer und die Vernetzung der Biowissenschaften in Europa. Darüber hinaus fördert das Institut den Austausch mit der Öffentlichkeit durch Vortragsreihen, Besucherprogramme und aktive Wissenschaftskommunikation.

Der Fokus der Wilmanns-Gruppe liegt in der strukturbiologischen Aufklärung molekularer Mechanismen wie der Proteintranslokation über Membranen und der molekularen Elastizität. Im Rahmen des Teilprojekts A1 liegt der Aufgabenbereich in der Produktion rekombinanter Proteine, Herstellung von (Mikro-)Kristallen und Proben für Druck-Experimente sowie der Untersuchung von Strukturen unter Normal- und Hochdruck.

Arbeitsgruppe Wilmanns
EMBL Hamburg