Supramolekulare Biostrukturen

Optische Analyse der Struktur und Dynamik
supramolekularer biologischer Komplexe

Die Aufklärung der biochemischen und molekularbiologischen Grundmechanismen des Lebens und die Sequenzierung des Genoms einer Reihe von Organismen und des Menschen hat völlig neue Einblicke in die für das Leben wesentlichen molekularen Prozesse ermöglicht. Verfahren der Bioinformatik und der kombinatorischen Chemie ermöglichen es, diese Kenntnisse auch für die Entwicklung neuer Pharmaka therapeutisch nutzbar zu machen. Dennoch bleibt die Erforschung der funktionellen dreidimensionalen Struktur und Dynamik der Organisation des Lebendigen eines der großen Ziele der Naturwissenschaften: Dem menschlichen Geist erschließt sich das Verständnis der Naturvorgänge mit größerer Klarheit über eine Anschauung der raum-zeitlichen Dynamik. Angesichts der unübersehbaren Reaktionsmöglichkeiten komplexer Systeme tritt die Notwendigkeit  einer weiteren quantitativen Analyse und Modellierung dieser raum-zeitlichen Dynamik immer mehr ins Bewußtsein. - Vielfältige Forschungsergebnisse haben in den letzten Jahren deutlich gemacht, daß der zwischen der „klassischen” Ultrastrukturmikroskopie und  Lichtmikroskopie befindliche, noch wenig erforschte Zwischenbereich zellulärer „Nano”-Strukturen mit typischen Abmessungen von einigen 10 Nanometern (nm) bis einigen 100 nm von größter Bedeutung für die Organisation des Lebendigen ist. Dies ist der Bereich von funktionellen Gesamtheiten („Komplexen”) biologischer Makromoleküle mit typischen Gesamtmolekulargewichten von etwa 0,5 Megadalton bis einige hundert Megadalton. In einzelnen Fällen wird sogar der Bereich von 1 Gigadalton erreicht. Als Beispiele seien die dynamische Nanostruktur von Komplexen („Molekularen Maschinen”) des membranassoziierten Molekültransportes, der Proteinsynthese und –degradation, der DNA-Replikation, des Chromatin-Remodelling, des RNA-Splicing, der DNA-Reparatur sowie von genspezifischen Chromatin-Multiprotein-Komplexen genannt.
Das hier vorgeschlagene Schwerpunktprogramm soll neue Wege beschreiten zur quantitativen empirischen Analyse und  theoretischen Modellierung der supramolekularen dreidimensionalen Struktur und Dynamik solcher „Molekularer Maschinen”. Von der methodischen Seite möglich geworden ist eine solche Zielsetzung durch die in jüngster Zeit erzielten Fortschritte auf dem Gebiete neuer mikroskopischer, insbesondere auch lichtoptischer Verfahren in Verbindung mit neuen Verfahren der spezifischen Markierung von biologischen Makromolekülen. Damit ist eine quantitative mikroskopische Analyse der supramolekularen Strukturen auch in situ möglich geworden, das heißt im Kontext der relevanten zellulären Strukturen, letztlich sogar in der lebenden Zelle. Ein vergleichbares Innovationspotential besteht bei der Computermodellierung. Anhand einiger ausgewählter Beispiele soll im Detail in quantitativer Weise analysiert werden, wie sich einzelne makromolekulare Untereinheiten in der Zelle zu funktionellen Gesamtheiten mit spezifischer raum-zeitlicher Dynamik zusammenfügen, und wie diese Bildung durch kontrollierte Veränderungen beeinflußt wird. Wesentliche Grundlage der Realisierung ist eine eng vernetzte Zusammenarbeit zwischen Gruppen aus Biochemie, Molekularbiologie und Zellbiologie, sowie aus Physik / Optik, Biophysik, Chemie, Bildverarbeitung und Biocomputing.