Projekt 1
Gruppen:
Computational Biology (Böckmann)
Kristallographie und Strukturphysik (Unruh)

P1 Struktur und Dynamik von biologischen Membranen

Wechselwirkungen an biologischen Membranen wie die Bindung von Proteinen, der Transport z.B. von Metaboliten, oder die Aggregation von Proteinen an der Membranoberfläche sind abhängig von der molekularen Struktur und Dynamik der Membran. Das Projekt zielt auf die molekulare Charakterisierung von biologischen Membranen, in der An- oder Abwesenheit von Transmembranproteinen. Insbesondere soll der Einfluss der Membranzusammensetzung auf die Bildung von nanometergrossen Domänen und von Membranphasen untersucht werden. Durch den sich ergänzenden Einsatz von Neutronenstreuung und Moleküldynamik-Simulationen (Atomistisch und Coarse-Grained) wird eine hohe zeitliche wie örtliche Auflösung erreicht.

Projekt 2
Gruppen:
MPI for the Physics of Light (Sandoghdar)
Theoretical Physics (Smith)

P2 Protein- und Lipiddiffusion in biologischen Membranen

Der Transport und die dynamische Organisation von Lipiden und Proteinen in biologischen Membranen stellt einen der fundamentalsten Prozesse in lebenden Zellen dar. Während bereits eine Vielzahl an Daten aus Untersuchungen von relevanten biologischen Prozessen hervorgegangen ist, sind die grundlegenden biophysikalischen Prinzipien von komplexer Diffusion und Reorganisation in Membranen nach wie vor nicht gut verstanden. In diesem Projekt entwickeln wir Modellsysteme, welche uns erlauben einzelne Aspekte der Zellmembran in kontrollierter Art nachzuahmen. Durch Kombination von Ergebnissen aus Einzelteilchen-Experimenten und Simulationen untersuchen wir den Transport und die Komplexierung in Membranen. Der Fokus liegt dabei speziell auf Lipidtranslation und -rotation in substratgestützten und suspendierten Membranen, membran-unterstützten Wechselwirkungen zwischen Proteinen zur intermolekularen Erkennung, Domänenwachstum und aktiven Prozessen. Unser Ziel ist ein besseres Verständnis des Zusammenspiels zwischen diesen Effekten auf den entsprechenden Längen- und Zeitskalen. 

Projekt 3
Gruppen:
Biotechnology (Muller)
Computational Biology (Böckmann)

P3 Aufnahme und Freisetzung von Sphingosin-1-Phosphat (S1P) durch das humane Apolipoprotein M

Das Lipid Sphingosin-1-Phosphat (S1P) ist ein Signalmolekül, dass u.a. das Endothel gegen toxische Ereignisse schützt. S1P zirkuliert an das Apolipoprotein M (ApoM) gebunden im Blut. Die Struktur des ApoM:S1P Komplexes konnte bereits aufgeklärt werden, jedoch ist wenig bekannt über den Mechanismus der Bindung von S1P an ApoM sowie über die Freisetzung des S1P Lipids. In diesem Projekt liegt der Fokus auf dem Bindemechanismus von S1P an ApoM sowie dem Transport und der Aktivierung des S1P Membranrezeptors. Das angewendete Methodenspektrum umfasst die isotherme Titrationskalorimetrie (ITC), Röntgenkristallographie, sowie Multiskalensimulationen, um die molekularen Mechanismen des Transports von S1P sowie seiner Funktion als Signalmolekül aufzuklären.

 

Projekt 4
Gruppen:
Computational Biology (Böckmann, Pannuzzo)
Medicinal Chemistry (Tschammer)
MPI for the Physics of Light (Sandoghdar)

P4 G Protein-gekoppelte Chemokinrezeptoren: Der Einfluß von Lipid-Mikrodomänen auf ligandinduzierte Konformationsänderungen und die Rezeptordimerisierung

G Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bilden eine große Familie von integralen Membranproteinen. Sie nehmen eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von Wirkstoffen ein, ca. 30% der aktuellen Medikamente binden an einen dieser Rezeptoren. Trotzdem weiß man bislang wenig über den Einfluss der Umgebung, also der Lipidmembran, auf die Funktion von GPCRs, die Signaltransduktion über Zellmembranen. Dieser Frage wird sowohl in atomistischen und sogenannten coarse-grained Moleküldynamik-Simulationen, als auch mittels experimenteller biophysikalischer und biochemischer Methoden nachgegangen. Wir erwarten aus diesem kombinierten Einsatz theoretischer und experimenteller Methoden auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen Aufklärung über den Einfluss unterschiedlicher Membrandomänen bzw. unterschiedlicher Lipide auf die Rezeptorfunktion.

Projekt 5
Gruppen:
Biotechnology (Muller)
Developmental Biology (Schambony)

P5 Molecular mechanisms that regulate the differential association of Ror2 with membrane microdomains

Die Wnt-Familie sekretierter Wachstumsfaktoren und die von diesen Liganden aktivierten Signaltransduktionskaskaden sind essentiell für die Musterbildung, Differenzierung und Morphogenese in der Embryonalentwicklung. Die Hyperaktivierung Wnt-abhängiger Signalkaskaden korreliert häufig mit schweren Erkrankungen wie beispielsweise verschiedene Krebserkrankungen. Die Rezeptoren LRP6 und Ror2 aktivieren unterschiedliche intrazelluläre Signalkaskaden und sind beide in der Lage, mit verschiedenen Mikrodomänen der Plasmamembran zu assoziieren. Unbekannt ist, welche Mechanismen die Lokalisation dieser Co-Rezeptoren innerhalb der Plasmamembran regulieren. Aktuelle Modelle postulieren, dass die Länge und Aminosäuresequenz der Transmembrandomäne sowie der Membran-proximalen Bereiche eine Rolle spielen. Die Wechselwirkung Membran-naher Aminosäuren mit der Plasmamembran kann darüber hinaus durch post-translationale Modifikationen reguliert werden. Welche dieser Mechanismen die Lokalisation von Ror2 beeinflussen und wie solche Mechanismen mit der Signalaktivität Ror2-abhängiger Wnt-Signalkaskaden in Zusammenhang stehen, soll in diesem Projekt untersucht werden.

 

Projekt 6
Gruppen:
Dermatology (Dudziak)
Medical Physics and Technology (Fabry)

P6 Dynamische Regulation und Kompartmentalisierung von Lektinrezeptoren in der Dendritischen Zellmembran

Dendritische Zellen exprimieren eine Vielfalt and endozytischen Rezeptoren, die für die Immunabwehr gegen eindringende Pathogene verantwortlich sind. Das Ziel dieses Projektes ist zu verstehen, warum die endozytischen Rezeptoren in der Membran muriner und humaner Dendritischer Zellen unterschiedlich verteilt sind. Zuvor wurde von uns gezeigt, dass diese  Endozytoserezeptoren geeignete Rezeptoren darstellen, um Antigene in vivo in Dendritische Zellen  einzuschleusen. Diese neue Art der Immuntherapie hat weitreichende klinische Optionen, insbesondere auf dem Gebiet der Tumortherapie. Um die Funktion dieser Rezeptoren besser verstehen zu können, sollen Rezeptor-Kompartmentalisierung sowie die Internalisierung des Rezeptors mittels Life-Cell-Imaging (TIRF, confocal microscopy), Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) und mathematischem Modelling untersucht werden.


Projekt 7
Gruppen:
Cell Biology (Kost)
MPI for the Physics of Light (Sandoghdar)
Theoretical Physics (Smith)

P7 Assoziation von Zellwachstum regulierenden Proteinen mit spezifischen Plasmamembran-Domänen

Das Spitzenwachstum von Tabak Pollenschläuchen eignet sich hervorragend als experimentelles System zur Untersuchung des gerichteten Zellwachstums. Dieser Prozess spielt eine zentrale Rolle während der Pflanzenmorphogenese und hängt von apikaler Sekretion ab, die durch seitliche endozytotische Membraninternalisierung ausgeglichen werden muss. Aktuelle Modellvorstellungen gehen davon aus, dass apikale Sekretion und seitliche Endozytose in der Plasmamembran an der Pollenschlauchspitze einen rückwärtsgerichteten Fluss generieren. Wir haben eine Reihe von regulatorischen Proteinen und Lipiden identifiziert, die spezifisch mit unterschiedlichen Plasmamembran-Domänen assoziiert sind und wichtige, nur teilweise verstandene Funktionen in der Kontrolle des apikalen Membrantransports und des Pollenschlauch Spitzenwachstums ausüben. Ziel dieses Projektes ist die Charakterisierung molekularer und zellulärer Mechanismen, die für die Aufrechterhaltung der spezifischen Assoziation verschiedener regulatorischer Proteine mit unterschiedlichen Domänen der äußerst dynamischen Pollenschlauch-Plasmamembran verantwortlich sind. Insbesondere soll die Rolle ebenfalls ungleich verteilter regulatorischer Membranlipide in diesen Mechanismen aufgeklärt werden.

Projekt 8
Gruppen:
Cell Biology (Dettmer)
Medical Physics and Technology (Fabry)

P8 Regulation der Zelladhäsion und des polaren Zellwachstums durch Tetraspanin-angereicherte Mikrodomänen

Tetraspanine (TETs) sind kleine Transmembranproteine, die in tierischen Zellen an unterschiedlichen Prozessen wie z.B. Membrantransport, Signaltransduktion, Morphogenese, Bewegung sowie Zelladhäsion und -fusion beteiligt sind. In der Membran assoziieren TETs lateral miteinander und interagieren mit Signalproteinen aber auch Sterole und Lipide. Durch diese TET vermittelte Assoziation verschiedener Moleküle bilden sich sogenannte „tetraspanin-enriched microdomains“ (TEMs), die in Membranen als Signalplattformen agieren. Obwohl in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana 17 TETs exprimiert werden ist über deren Funktion fast nichts bekannt. Da TETs in tierischen Zellen an Adhäsionsprozessen und Membrantransport beteiligt sind werden wir testen ob pflanzliche TETs ähnliche Funktionen ausüben und dabei polares Zellwachstum regulieren.

Projekt 9
Gruppen:
Cell Biology (Kost)
Plant Cell Biology (Dietrich)

P9 Osmosensitivität der Tonoplasten pflanzlicher Zellen

Die Vakuole ist das zentrale Organell pflanzlicher Zellen, welches die Turgorbildung und damit Wachstumsprozesse ermöglicht. Zwar erfährt die Vakuolenmembran extreme Druckänderungen nicht direkt, aber sie reagiert umgehend auf osmotischen Stress. Änderungen der Ionenflüsse über die Membran begleiten die Umgestaltung der Vakuole, die während der Osmo- und Volumenregulation beobachtet werden kann. Die hierfür erforderlichen Osmosensoren sowie die Mechanismen, die den Ionenfluss umsteuern, sind allerding nur unzureichend verstanden. In dem Projekt werden biochemische, zell- und molekularbiologische Ansätze sowie elektrophysiologische Techniken genutzt, um diese Regulationsmechanismen zu identifizieren und zu beschreiben, und um damit die Koordination der Transportprozesse an der Vakuolen- und Plasmamembran besser zu verstehen.

Projekt 10
Gruppen:
Medical Physics and Technology (Fabry)
Theoretical Physics (Smith)

P10 Kollektive Phänomene in der Zell-Zell Dynamik und der Zellmigration

Die Stabilität von Zellverbänden in Organen und Geweben entsteht aus dem Gleichgewicht von mechanischen Kräften, die über die Zellmembran auf die extrazelluläre Matrix oder auf benachbarte Zellen übertragen werden. Zellverbände verhalten sich über lange Zeiträume wie Flüssigkeiten mit einer charakteristischen Oberflächenspannung. Neuere Erkenntnisse haben ergeben, dass das Verhältnis der Zell-Matrix-Adhäsion zur kortikalen Spannung die Oberflächenspannung bestimmt.  Die resultierende Form der Zellaggregate  entsteht dann  aus dem Zusammenwirken von mechanischer Grenzflächen-Energie und Geometrie. Bestehende Modelle sind jedoch nicht in der Lage, die Dynamik solcher Zellformänderungen vorherzusagen. Dieses Projektes soll untersuchen, wie Zell-Matrix-Adhäsion, kortikale Spannung und mechanische Eigenschaften des Zellskeletts  die Zellform, Zellmigration und gegenseitige Abhängigkeiten in der Bewegung benachbarter Zellen bestimmen.