Abteilungen

Das Institut hat zurzeit (Stand Juli 2019) 12 Abteilungen:

• Patrick Cramer – Molekularbiologie
• Gregor Eichele – Gene und Verhalten
• Dirk Görlich – Zelluläre Logistik
• Christian Griesinger – NMR-basierte Strukturbiologie
• Helmut Grubmüller – Theoretische und computergestützte Biophysik
• Stefan W. Hell – NanoBiophotonik
• Jochen Rink – Gewebedynamik und Regeneration
• Marina Rodnina – Physikalische Biochemie
• Claus Ropers – Ultraschnelle Dynamik
• Melina Schuh – Meiose
• Holger Stark – Strukturelle Dynamik
• Alec M. Wodtke – Dynamik an Oberflächen

In der im Januar 2014 neu eingerichteten Abteilung Molekularbiologie forscht der Chemiker Patrick Cramer daran, wie die im Erbgut gespeicherten Informationen ausgelesen und genutzt werden. Diesen elementaren Prozess des Lebens will die Abteilung in der Zelle analysieren und Schritt für Schritt bis ins atomare Detail sichtbar machen. Es geht darum, die Transkription und die Genregulation sowohl auf molekularer Ebene als auch auf zellulärer Ebene zu verstehen. Zum einen klären die Wissenschaftler die dreidimensionale Struktur der RNA-Polymerasen in verschiedenen funktionalen Zuständen auf. Dazu werden verschiedene strukturbiologische Methoden wie etwa die Röntgenkristallografie und die Elektronenmikroskopie integriert. Zum anderen wird die zelluläre Regulation der Genexpression systemisch mit Methoden der funktionalen Genomik und der Bioinformatik untersucht.

Unter der Leitung von Gregor Eichele wird in der Abteilung Gene und Verhalten am Modell der Maus der Zusammenhang zwischen dem An- und Abschalten von Genen (der Genexpression), der Entwicklung und dem Verhalten untersucht. Dazu haben die beteiligten Wissenschaftler die Analyse auftretender Muster beim An- und Abschalten von Genen erstmals automatisiert, sowohl bei den Experimenten selbst als auch bei ihrer späteren Auswertung. Diese Methode wurde unter anderem beim Erstellen eines digitalen Atlas von Genexpressionsmustern im Gehirn der Maus eingesetzt, welcher wertvolle Informationen über genetische Regulationsnetze in Organismen liefert. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Abteilung ist die Steuerung der „inneren Uhr“, die bei Tieren und Menschen unter anderem den Schlaf-Wach-Rhythmus bestimmt. Die Forscher wollen aufklären, wie diese Uhren biochemisch funktionieren und wie sie durch das komplexe Wechselspiel von Genen und Licht reguliert werden.

Das zentrale Forschungsthema der Abteilung Zelluläre Logistik von Dirk Görlich ist der Stofftransport zwischen dem Zytoplasma und dem Kern der Zelle. Der gesamte Stoffaustausch erfolgt dabei über in die Kernhülle eingelassene Kernporen, die als hochselektive Tore fungieren und Teil einer komplexen Transportmaschinerie sind. Zentrale Fragestellungen der Abteilung sind, wie Stoffe mit und ohne Passiererlaubnis für die Kernpore so zielsicher voneinander unterschieden werden, wie der eigentliche Transport durch die Kernpore bewerkstelligt wird und wie Kernporen aus ihren Vorstufen zusammengesetzt und in die Kernhülle eingebaut werden. Ein weiterer Fokus der Abteilung liegt auf der Weiterentwicklung von Nanobodies für die Anwendung in der biologischen Forschung.

Die Abteilung NMR-basierte Strukturbiologie unter der Leitung von Christian Griesinger entwickelt neue Methoden der Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie und wendet diese auf die Untersuchung von Proteinen, Nukleinsäuren und ihren Komplexen an. Ein wichtiges Projekt der Abteilung sind Untersuchungen zur Faltung bestimmter Proteine, die bei Erkrankungen des Nervensystems wie Alzheimer oder Parkinson auftreten. Darüber hinaus werden Proteine auch direkt in Aktion beobachtet und ihre strukturelle Dynamik untersucht. Neben der Strukturaufklärung löslicher Proteine werden mit der Festkörper-NMR-Spektroskopie auch Methoden erforscht und entwickelt, um unlösliche Proteine zu untersuchen. So wird die Festkörper-NMR-Spektroskopie in der Abteilung direkt angewandt, um die Bindung bestimmter Moleküle an Ionenkanäle und membrangebundene Rezeptoren zu untersuchen – Vorgänge, die im Stoffwechsel der Zelle, aber auch bei der Wirkung von Toxinen eine zentrale Rolle spielen.

Das Hauptinteresse der Abteilung Theoretische und computergestützte Biophysik von Helmut Grubmüller ist es, Funktionsmechanismen von Proteinen mit Hilfe von Computersimulationen auf die Spur zu kommen. Um ihre jeweilige Aufgabe erfüllen zu können, brauchen diese „Nanomaschinen der Zelle“ eine genau definierte räumliche Struktur. Selbst die Bewegung einzelner Atome ist präzise aufeinander abgestimmt. Mit Hilfe aufwändiger Computerberechnungen simulieren die Wissenschaftler Atom für Atom die genaue Bewegung von Proteinen und erhalten darüber entscheidende Hinweise auf deren Funktionsweise.

In der Abteilung NanoBiophotonik unter Leitung von Stefan W. Hell werden neue ultrahochauflösende Lasermikroskopieverfahren erforscht und entwickelt. Die STED-Mikroskopie macht Details im Nanometerbereich weit unterhalb des Auflösungsbereichs konventioneller Mikroskope sichtbar. Während ein Lichtmikroskop nur Details auflösen kann, die mindestens 200 Nanometer voneinander entfernt sind, ist bei neuen, in der Abteilung entwickelten Verfahren die Schärfe nicht mehr durch die Lichtwellenlänge begrenzt. Diese Methoden können in der biologischen Grundlagenforschung eingesetzt werden, um kleinste Strukturen im Inneren einer lebenden Zelle, wie Organellen oder sogar Proteine, sichtbar zu machen. Die von Hell und seinen Mitarbeitern entwickelte MINFLUX-Mikroskopie erreicht sogar eine Trennschärfe von wenigen Nanometern, sodass mit ihr eng benachbarte Moleküle optisch voneinander getrennt werden können.

Jochen Rink forscht mit seinen Mitarbeitern in der Abteilung Gewebedynamik und Regeneration an Plattwürmern. Viele Plattwurm-Arten besitzen die Fähigkeit, einzelne Körperteile nach Verlust zu regenerieren. Manche können sogar aus winzigen Gewebestücken vollständige neue Organismen ausbilden. Die Wissenschaftler untersuchen, wie Plattwürmern dies gelingt. Insbesondere möchten sie herausfinden, welche Signale im Körper des Wurms die Vermehrung, Differenzierung und Bewegung der Zellen steuern, sodass die Form und Funktion verlorener Körperteile vollständig regeneriert werden können. Außerdem interessiert die Forscher, warum manche Plattwurm-Arten eine hohe Regenerationsfähigkeit besitzen, andere jedoch nicht, und warum die Fähigkeit zur Regeneration im Tierreich insgesamt eher eine Ausnahme als die Regel darstellt. Weiter beschäftigt Rinks Team, wodurch die Lebensdauer einzelner Zellen und die eines gesamten Organismus begrenzt wird. Die Abteilung arbeitet hoch interdisziplinär und setzt vielfältige Methoden ein, die von funktionalen Genomanalysen über Zellbiologie und Biophysik bis hin zur Taxonomie reichen.

Die von Marina Rodnina geleitete Abteilung Physikalische Biochemie erforscht, wie die zellulären Proteinfabriken, die Ribosomen, funktionieren. Ribosomen sind von großer molekularer Komplexität und machen bei der Herstellung von Proteinen erstaunlich wenige Fehler. Dies ist essentiell, da ein einziger falscher Baustein das ganze Protein funktionsunfähig machen kann. Wie es den Ribosomen gelingt, die Fehlerquote derart niedrig zu halten und welche Mechanismen essentielle Ausnahmen erlauben, ist daher ein Forschungsschwerpunkt der Abteilung. Um diese Fragen zu beantworten, setzen die Forscher biophysikalische Methoden wie die Fluoreszenzspektroskopie und schnelle kinetische Techniken ein. Des Weiteren analysieren die Wissenschaftler die strukturelle Dynamik des Ribosoms: Während das Ribosom ein Protein Schritt für Schritt zusammenbaut, verändert es im selben Rhythmus auch seine räumliche Struktur. Mit biophysikalischen und biochemischen Methoden wird untersucht, welche molekularen Prozesse dieser Strukturveränderung zugrunde liegen.

Die Abteilung Ultraschnelle Dynamik von Claus Ropers untersucht die strukturelle, elektronische und magnetische Dynamik in Festkörpern, Nanostrukturen und Oberflächen. Die Wissenschaftler wollen fundamentale Fragen klären, die auch technologisch revelant sind: Wie entstehen die komplexen Eigenschaften von Materialien? Wie laufen fotovoltaische Energieumwandlungsprozesse ab? Ropers entwickelt mit seinem Team experimentelle Methoden, die es ermöglichen, mikroskopische Prozesse auf sehr kurzen Zeitskalen zu beobachten. So können die Forscher Vorgänge auf der Ebene von Atomen und Molekülen messen, die in Femto- oder Pikosekunden ablaufen. Die Forscher nutzen unter anderem ein sogenanntes Ultraschnelles Transmissionselektronenmikroskop. Damit lassen sich feinste Änderungen atomarer Strukturen abbilden. Weiterhin erlaubt diese Technik, schnellste magnetische Schaltprozesse zu beobachten, die in zukünftigen digitalen Speichern Anwendung finden könnten. In der von Melina Schuh geleiteten Abteilung Meiose wird erforscht, wie sich befruchtungsfähige Eizellen in Säugetieren entwickeln. Im Zentrum steht dabei die als Meiose bezeichnete Reifeteilung, die jede Eizelle während ihrer Entwicklung durchläuft. Die Wissenschaftler interessiert insbesondere, wie Defekte von Chromosomen und Strukturen des Zytoskeletts zu Aneuploidie und Fehlgeburten bei Säugetieren führen. Dies hat auch medizinische Relevanz, da fehlerhafte Eizellen eine Hauptursache von Fehlgeburten und Chromosomenanomalien wie dem Down-Syndrom sind. Für ihre Forschung entwickelt die Abteilung zudem neue Werkzeuge wie High-Throughput Screening für an der Meiose beteiligte Gene in Säugetieren oder Methoden, mit denen sich erstmals die Ursachen für fehlerhafte Chromosomentrennung direkt in lebenden menschlichen Eizellen beobachten lassen.

Die von Holger Stark geführte Abteilung Strukturelle Dynamik forscht an sogenannten molekularen Maschinen, die an wichtigen zellulären Prozessen, wie etwa der Informationsverarbeitung, der Zellteilung oder Proteinherstellung beteiligt sind. Es handelt sich bei diesen Maschinen selbst um Proteinkomplexe, die meist aus mehreren Teilen zusammengesetzt und oft auch durch RNA- und DNA-Moleküle ergänzt sind. Um die dreidimensionalen Strukturen dieser Komplexe zu analysieren, nutzt die Abteilung hauptsächlich die 3D-Transmissions-Elektronen-Kryomikroskopie (cryoEM), die auf der Transmissionselektronenmikroskop basiert. Hierbei kann die molekulare Struktur der untersuchten Objekte mit bis zu atomarer Auflösung aufgeklärt werden, was weitreichende Einblicke in den Aufbau, die Funktion und die Dynamik der makromolekularen Komplexe ermöglicht.

In der Abteilung Dynamik an Oberflächen, geleitet von Alec M. Wodtke, werden chemische Reaktionen an Grenzflächen untersucht. Besonders die Aufklärung der Gesetzmäßigkeiten, die die Energieumwandlung an Grenzflächen steuern, steht hierbei im Fokus. Für ihre Forschung setzt die Abteilung Laser der Spitzentechnologie, Molekularstrahlen und Ultrahochvakuumtechnologien ein, um die einzelnen Energieübertragungsschritte zwischen Molekülen zeitlich aufzulösen und isoliert untersuchen zu können. Aufbauend auf diesen Untersuchungen entwickeln die Forscher neue Ideen und Theorien zu molekularen Wechselwirkungen an Grenzflächen.

Forschungsgruppen

Ein besonderes Anliegen des Instituts ist die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, was sich auch in der Zahl von 18 unabhängigen Forschungsgruppen widerspiegelt.

Emeritusgruppen

Direktoren des Instituts können nach ihrer Emeritierung für einige Jahre ihre Forschung als Emeritusgruppe aktiv weiterführen.

• Reinhard Jahn – Labor für Neurobiologie
• Thomas Jovin – Labor für zelluläre Dynamik
• Reinhard Lührmann – Zelluläre Biochemie
• Erwin Neher – Membranbiophysik
• Jürgen Troe – Spektroskopie und Photochemische Kinetik
• Herbert Jäckle – Molekulare Entwicklungsbiologie
• Stefan H. E. Kaufmann (zuvor Direktor am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie) – Systemimmunologie

Ehemalige Abteilungen

• Otto Detlev Creutzfeldt (†) – Neurobiologie (1971–1992)
• Manfred Eigen (†) – Biochemische Kinetik (1971–1995)
• Dieter Gallwitz – Molekulare Genetik (1985–2004)
• Peter Gruss – Molekulare Zellbiologie (1986–2014)
• Manfred Kahlweit (†) – Kinetik der Phasenbildung (1971–1996)
• Hans Kuhn (†) – Molekularer Systemaufbau (1971–1984)
• Leo De Maeyer (†) – Experimentelle Methoden (1971–1996)
• Bert Sakmann – Zellphysiologie (1985–1988)
• Fritz Peter Schäfer (†) – Laserphysik (1971–1994)
• Hans Strehlow (†) – Elektrochemie und Reaktionskinetik (1971–1984)
• Klaus Weber (†) – Biochemie und Zellbiologie (1973–2004)
• Albert Weller (†) – Spektroskopie (1971–1990)
• Victor P. Whittaker (†) – Neurochemie (1973–1987)

Biomedizinische NMR

Die Forschungsgruppe Biomedizinische NMR wurde 1993 als unabhängige Forschungsstelle Biomedizinische NMR Forschungs GmbH unter Leitung von Jens Frahm gegründet. Ziel ist es, bildgebende Verfahren der nuklearmagnetischen Resonanz (NMR) zu entwickeln und für nichtinvasive Untersuchungen des zentralen Nervensystems von Tieren und Menschen anzuwenden. Diese Methoden ermöglichen direkte Einblicke in die Anatomie, den Stoffwechsel und die Funktion des zentralen Nervensystems und tragen zum Verständnis menschlicher Hirnerkrankungen bei. Das Mitte der 1980er Jahre entwickelte Fast Low-Angle Shot (FLASH)-Verfahren reduzierte die Messzeit in der Magnetresonanztomographie (MRT) um den Faktor 100 und legte damit eine entscheidende Grundlage für die breite Anwendung der MRT in der medizinischen Diagnostik. Die Weiterentwicklung FLASH2 verbesserte die Echtzeit-MRT und ermöglicht seit wenigen Jahren Echtzeitvideos aus dem Inneren des Körpers.