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Helmholtz Munich | Cryoskeleton Lab

Helmholtz Munich etabliert modernste Cryo-Elektronenmikroskopie-Technologie

Transfer, Molecular Targets and Therapeutics, Pioneer Campus,

Diese ermöglicht Durchbrüche für die hochauflösende Strukturanalyse von therapeutischen Zielmolekülen und die Visualisierung in ihrer natürlichen zellulären Umgebung

Strukturbiologische Techniken wie die Röntgenkristallographie, die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR)-Spektroskopie und die Cryo-Elektronenmikroskopie Einzelpartikelanalyse (Cryo-EM SPA) bieten einzigartige Einblicke in die molekularen Mechanismen von biologischen Prozessen und ermöglichen strukturbasierte Medikamentenentwicklung zur Behandlung von menschlichen Krankheiten. Hochauflösende Strukturen biologischer Moleküle werden an isolierten in vitro aufgereinigten Biomoleküle durchgeführt. Bis vor Kurzem war es schwierig, subzelluläre Kompartimente in ihrer natürlichen zellulären Umgebung zu untersuchen.

Ein weiterer Schritt, gestützt durch die fachübergreifende Zusammenarbeit zwischen dem Helmholtz Pioneer Campus und dem Molecular Targets and Therapeutics Center (MTTC) ist die Implementierung einer weltweit aufstrebenden, neuartigen Technologie namens in-situ Cryo-Elektronentomographie (Cryo-ET) bei Helmholtz Munich Cryo-ET ermöglicht die Visualisierung zellulärer Strukturen in ihrer natürlichen und funktionalen Umgebung mit molekularer Auflösung. Diese Technologie bildet das Herzstück der neuen Helmholtz Munich Cryo-EM-Plattform (CEMP), die modernste Cryo-EM-Infrastrukturen für sowohl In-situ Cryo-ET als auch Cryo-EM-SPA bereitstellt. Die neue multimillionenschwere Ausstattung deckt alle Arbeitsabläufe fortgeschrittener Cryo-EM-Anwendungen ab und kann für eine Vielzahl von Forschungsthemen eingesetzt werden - angefangen von der Aufklärung molekularer Mechanismen bis hin zur Beschleunigung neuer therapeutischer Ansätze. Helmholtz Munich ist somit einer der wenigen Standorte weltweit, die das gesamte Spektrum der strukturellen Technologien mit atomarer Auflösung nutzen und anbieten, einschließlich hochmoderner Cryo-EM und 1,2 GHz Ultrahochfeld-NMR-Spektroskopie. (Quelle: https://www.bnmrz.org/)

Prof. Michael Sattler, Leiter des Molecular Targets and Therapeutics Center und Direktor des Instituts für Strukturbiologie bei Helmholtz Munich, kommentiert: " Wir erwarten beispiellose Einblicke in biomolekularen Strukturen in ihrer natürlichen Umgebung in gesunden und krankheitsverknüpften Zuständen und ermöglichen damit die Entwicklung neuartiger therapeutischer Ansätze.“

 

Wie wird die Cryo-EM-Plattform von Helmholtz Munich genutzt?

Die Helmholtz Munich CEMP bietet einzigartigen Zugang und Fachwissen für Cryo-EM SPA sowie Cryo-ET-Workflows. Ersteres ermöglicht eine hochauflösende strukturelle Analyse von biomolekularen Komplexen, die von höchster biomedizinischer Bedeutung sind und somit eine strukturbasierte Wirkstoffentwicklung für anspruchsvolle Zielmoleküle ermöglichen, wie Signalrezeptoren, membrangebundene Protein-Komplexe und große Protein-RNA-Komplexe bei der Genregulation. Diese ermöglichen strukturbasierte Wirkstoffentwicklungsbemühungen von Michael Sattler und seinem Team.

Dr. Marion Jasnin, Leiterin des Cryoskeleton Lab am Helmholtz Pioneer Campus, leitet die Implementierung des Cryo-ET-Workflows. Sie wurde erst kürzlich aus dem Labor von Prof. Baumeister (MPI Martinsried) rekrutiert, einem weltweit anerkannten Pionier der Cryo-ET. Marion betreut auch ihr eigenes Forschungsprogramm, das Actin, ein kleines kugelförmiges Protein, und seine assoziierten zytoskelettalen Proteine in ihrer natürlichen zellulären Umgebung untersucht, um unser Verständnis von zellulärer Struktur, zugrunde liegender Biologie und Krankheitsmechanismen, insbesondere der Tumorinvasion, voranzutreiben.

 

Die Integration von wissenschaftlicher Expertise in Cryo-EM-SPA, NMR-Spektroskopie, Röntgenkristallographie, in-situ Cryo-ET, optischer Bildgebung und künstlicher Intelligenz (KI) bei Helmholtz Munich wird letztendlich zu einem besseren Verständnis zellulärer Strukturen, Dynamik und Mechanismen über die gesamte Skala führen, von einzelnen Makromolekülen bis hin zu ganzen Organismen.

 

Wer nutzt die Cryo-EM-Plattform von Helmholtz Munich?

Viele Forschungsgruppen von Helmholtz Munich haben bereits Zusammenarbeiten etabliert und nutzen die Cryo-EM-Technologien von der Helmholtz Munich CEMP. Eine Kooperation zur Anwendung der strukturellen Biologie wird derzeit mit der Technischen Universität München (TUM School of Natural Sciences, Department of Bioscience und Center for functional protein assemblies, CPA) aufgebaut. Die Cryo-EM-Plattform, betreut von Dr. Stefan Bohn, wird zur Erforschung aufkommender Themen in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, darunter Stammzellen, Diabetes, Umweltgesundheit sowie molekulare Targets und Therapeutika. Darüber hinaus wird erwartet, dass das einzigartige Fachwissen in KI-basierten rechnergestützten Werkzeugen zur Bildanalyse, die im Computational Health Center und Helmholtz AI bei Helmholtz Munich verfügbar sind, die Anwendungen der Cryo-ET-Technologie für die strukturelle Biologie in Zellen erheblich vorantreiben, um physiologische und pathologische Signalwege zu verstehen und die Entwicklung neuer therapeutischer Konzepte zur Behandlung von menschlichen Krankheiten zu ermöglichen.

 

Über die Wissenschaftler:innen

Prof. Dr. Michael Sattler, Leiter des Molecular Targets & Therapeutics Centers, Direktor am Institut für Strukturbiologie und am bayrischen NMR Center (Helmholtz Munich und TUM)

Dr. Marion Jasnin, Principal investigator des Cryoskeleton Lab am Helmholtz Munich Pioneer Campus

Dr. Stefan Bohn, CEMP Facility Manager und Wissenschaftler am Institut für Strukturbiologie des Molecular Targets & Therapeutics Centers bei Helmholtz Munich

Wie funktioniert Cryo-ET und was kann analysiert werden?

Bei der Cryo-ET-Aufnahme werden 2D-Bilder aus verschiedenen Winkeln (typischerweise von -60 bis +60 Grad) aufgenommen, die dann später zu einem 3D-Volumen, genannt Tomogramm, rekonstruiert werden. Die resultierenden Daten zeigen nicht nur die gewünschte Makromolekülstruktur, sondern auch die strukturelle Umgebung und Position, aus der die biologische Funktion abgeleitet werden kann. Obwohl Cryo-ET eine geringere Auflösung (Nanometer bis Subnanometer) als Cryo-EM-SPA für die strukturelle Biologie bietet, bei der sogar einzelne Atome aufgelöst werden können, hat Cryo-ET einen entscheidenden Vorteil mit der Offenlegung räumlicher Informationen. Cryo-ET erleichtert bereits die Analyse von Proben wie zellulären Organellen, Membranstrukturen mit Membranproteinen, Bakterien, Viren und großen molekularen Maschinen. Darüber hinaus wurden bisher dynamische Organellen wie Zilien oder andere Strukturen, die mit Zellbewegung, Signaltransport oder -übertragung zusammenhängen, visualisiert. Darüber hinaus zeigt der jüngste Fortschritt auf dem Gebiet, dass strukturelle Analysen von Organoiden, größeren Säugetierzellen und sogar ganzen Organismen wie dem Fadenwurm C. elegans durchführbar sind. Die einzige Einschränkung besteht in der kristallfreien Gefrierung der biologischen Probe. In situ Cryo-ET ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, auf die noch einige wissenschaftliche Durchbrüche in der Zukunft warten.

Dr. Stefan Bohn

Staff scientist