Kryo-Elektronenmikroskopie von membrangebundenen Proteinnanomaschinen (Cryo-Electron microscopy of membrane-bound protein nanomachines)

Zusammenfassung:
Hintergrund: In der Zelle schließen sich Enzyme oft zusammen und bilden Superkomplexe, die den zellulären Stoffwechsel sowohl zeitlich als auch räumlich definieren und regulieren. Diese Zusammenschlüsse höherer Ordnung werden als "Metabolons" bezeichnet. Ihre Existenz ist biochemisch schon seit Jahren bekannt, aber ihre Struktur ist schwer fassbar geblieben. Der Grund dafür ist, dass herkömmliche Strukturierungsmethoden sehr homogenes Material erfordern und diese gigantischen und flüchtigen Komplexe daher nicht strukturell als Komplexe charakterisiert werden können. Kryo-EM in Kombination mit modernen biochemischen und rechnerischen Methoden kann die Strukturen nativer Metabolone untersuchen, da das Material für die strukturelle Charakterisierung durch Elektronenmikroskopie auch heterogen und flüchtig sein kann und das große Molekulargewicht dieser Komplexe zusätzlich ein attraktiver Vorteil von Metabolonen ist. In diesem Projekt baue ich (a) das Cryo-EM in Halle von Grund auf neu auf, (b) entwickle biocomputationale und experimentelle Methoden für die Untersuchung von membrangebundenen Metabolonen und © charakterisiere ich strukturell die Enzymbaugruppen höherer Ordnung, die während der Pyruvat-Oxidation gebildet werden. Die Integration komplementärer moderner struktureller Methoden wird eine Grundlage für das Verständnis nativer Metabolone schaffen und damit Einblicke in die molekularen Merkmale geben, die die gebildeten Schnittstellen innerhalb des großen Komplexes bestimmen, mit direkten Anwendungen in der Medizin und Biotechnologie: Die Moleküle, die für diese identifizierten Schnittstellen entwickelt werden, werden im Vergleich zu den aktiven Stellen von Enzymen spezifischer sein, da die Schnittstellen innerhalb der enzymatischen Schnittstellen wahrscheinlich einzigartig sind.
Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) hat die Strukturbiologie revolutioniert, indem sie die hochauflösende Visualisierung komplexer makromolekularer Baugruppen, insbesondere von membrangebundenen Protein-Nanomaschinen, ermöglicht. Diese Zusammenfassung beleuchtet ein monumentales Forschungsprojekt mit zahlreichen Mitarbeitern, in dessen Rahmen die erste Cryo-EM-Anlage in Sachsen-Anhalt eingerichtet wurde. Im Laufe von fünf Jahren wurden im Rahmen dieses Projekts 49 Publikationen in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht, die das Fachgebiet erheblich voranbrachten.
Vorläufige Arbeiten: Das Projekt umfasste eine Reihe von membrangebundenen Protein-Nanomaschinen und Organismen, vom Nuklearer Porenkomplex (NPC) bis zu Photosystemen in Cyanobakterien. Es wurden Cryo-EM-Strukturen für Systeme wie Ribosomen, Succinyl-CoA-Metabolone und mitochondriale Membranen bestimmt, die wichtige Einblicke in ihre Funktionen liefern.
Zielsetzungen: Das Hauptziel bestand darin, die strukturellen Feinheiten verschiedener membrangebundener Protein-Nanomaschinen zu entschlüsseln und ihre Rolle in biologischen Prozessen aufzuklären. Darüber hinaus sollte dieses Projekt junge Wissenschaftler ausbilden und fördern und ihnen den Übergang in Führungspositionen in renommierten Labors erleichtern.
Methoden: Modernste Cryo-EM-Techniken wurden eingesetzt, um hochauflösende Strukturdaten aus einer Reihe von biologischen Proben zu erfassen und so detaillierte Modelle zu erstellen. Diese Methoden erleichterten die Bestimmung lebenswichtiger Strukturen und ermöglichten ein tiefgreifendes Verständnis der Interaktionen und Funktionen der untersuchten Proteinkomplexe.
Auswirkungen: Die Beiträge des Projekts zu wissenschaftlichen Erkenntnissen und nachhaltiger Entwicklung waren tiefgreifend. Mit 49 Veröffentlichungen in fünf Jahren hat die Forschung wertvolle Erkenntnisse über Proteinkomplexe verbreitet und den Weg für die Entwicklung neuer Medikamente, das Bioengineering und das Verständnis zellulärer Prozesse geebnet. Darüber hinaus bildete das Projekt zahlreiche Studenten und Nachwuchswissenschaftler aus, die dadurch in die Lage versetzt wurden, eine Schlüsselrolle bei wissenschaftlichen Fortschritten zu übernehmen und zur lokalen und globalen nachhaltigen Entwicklung beizutragen.
Ausrichtung auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung:
Dieses Projekt befasste sich mit einer Vielzahl von Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs):
SDG 3 (Gute Gesundheit und Wohlbefinden): Durch die Erforschung der Struktur und Funktion wichtiger biologischer Makromoleküle hat die Forschung zu Fortschritten in gesundheitsbezogenen Bereichen wie der Entdeckung von Medikamenten und Krankheitsmechanismen beigetragen.
SDG 4 (Hochwertige Bildung): Das Engagement des Projekts für die Ausbildung von Bachelor-, Master- und Doktoranden sowie von Post-Docs förderte eine ualitative hochwertige Bildung und wissenschaftliche Expertise.
SDG 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur): Die Einrichtung der ersten Kryo-EM-Anlage in Sachsen-Anhalt trug zur Entwicklung einer hochmodernen Infrastruktur für innovative wissenschaftliche Forschung bei.
SDG 13 (Klimapolitik): Das Verständnis von zellulären Prozessen und Bioengineering durch Cryo-EM hat Auswirkungen auf die Biokraftstoffproduktion und trägt zu umweltfreundlichen Alternativen bei.
SDG 17 (Partnerschaften für die Ziele): Die umfassende Zusammenarbeit zwischen zahlreichen Forschern und Institutionen hat gezeigt, wie wichtig Partnerschaften sind, um gemeinsame wissenschaftliche Ziele zu erreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Projekt beispielhaft für das Potenzial der wissenschaftlichen Forschung ist, Innovation, Bildung und Nachhaltigkeit voranzutreiben und gleichzeitig mehrere SDGs anzusprechen. Es unterstreicht die Bedeutung der Strukturbiologie und der Kryo-EM für den Wissenszuwachs und die Förderung einer nachhaltigen Entwicklung.

Summary:
Background: In the cell, enzymes often interact to form supercomplexes that define and regulate cellular metabolism in both time and space. These higher-order associations are called "metabolons". Their existence has been known biochemically for years, but their structure has remained elusive. This is because conventional structuring methods require very homogeneous material and therefore these giant and volatile complexes cannot be structurally characterised as complexes. Cryo-EM in combination with modern biochemical and computational methods can investigate the structures of native metabolons, as the material for structural characterisation by electron microscopy can also be heterogeneous and transient, and the large molecular weight of these complexes is an additional attractive advantage of metabolons. In this project, I am (a) to build the cryo-EM in Halle from scratch, (b) to develop biocomputational and experimental methods for the study of membrane-bound metabolons, and © to structurally characterise the higher-order enzyme assemblies formed during pyruvate oxidation. The integration of complementary modern structural methods will provide a basis for understanding native metabolons and thus provide insights into the molecular features that determine the interfaces formed within the large complex, with direct applications in medicine and biotechnology: the molecules designed for these identified interfaces will be more specific compared to the active sites of enzymes, as the interfaces within enzymatic interfaces are likely to be unique.
Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has revolutionised structural biology by enabling high-resolution visualisation of complex macromolecular assemblies, especially membrane-bound protein nanomachines. This project reflects a monumental research project involving numerous collaborators that utilized the first cryo-EM facility in Saxony-Anhalt. Over the course of five years, 49 publications were communicated in high-ranking journals as part of this project, significantly advancing the field.
Preliminary work: The project covered a range of membrane-bound protein nanomachines and organisms, from nuclear pore complexes (NPCs) to photosystems in cyanobacteria. Cryo-EM structures were determined for systems such as ribosomes, acetyl-CoA metabolons and mitochondrial membranes, providing important insights into their functions.
Objectives: The main objective was to decipher the structural intricacies of various membrane-bound protein nanomachines and elucidate their role in biological processes. In addition, this project aimed to train and promote young scientists and facilitate their transition into leadership positions in renowned laboratories.
Methods: State-of-the-art cryo-EM techniques were used to acquire high-resolution structural data from a range of biological samples to generate detailed models. These methods facilitated the determination of vital structures and enabled an in-depth understanding of the interactions and functions of the protein complexes studied.
Impact: The project's contributions to scientific knowledge and sustainable development have been profound. With 49 publications in five years, the research has disseminated valuable knowledge about protein complexes and paved the way for new drug development, bioengineering and understanding of cellular processes. In addition, the project trained numerous students and young scientists, enabling them to play a key role in scientific advances and contribute to local and global sustainable development.
Alignment with the Sustainable Development Goals:
This project addressed a variety of Sustainable Development Goals (SDGs):
SDG 3 (Good health and well-being): By exploring the structure and function of important biological macromolecules, research has contributed to advances in health-related areas such as drug discovery and disease mechanisms.
SDG 4 (Quality Education): The project's commitment to the education of bachelor's, master's, doctoral and post-doctoral students promoted quality education and scientific expertise.
SDG 9 (Industry, Innovation and Infrastructure): The establishment of the first cryo-EM facility in Saxony-Anhalt contributed to the development of a state-of-the-art infrastructure for innovative scientific research.
SDG 13 (Climate Policy): Understanding cellular processes and bioengineering through cryo-EM has implications for biofuel production and contributes to environmentally friendly alternatives.
SDG 17 (Partnerships for the Goals): Extensive collaboration between numerous researchers and institutions has shown the importance of partnerships to achieve common scientific goals.
In summary, this project exemplifies the potential of scientific research to drive innovation, education and sustainability while addressing multiple SDGs. It highlights the importance of structural biology and cryo-EM in advancing knowledge and promoting sustainable development.