Terry Brooks und Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie: Unterschied zwischen den Seiten

Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut)
MPI für biophysikalische Chemie, Göttingen
Kategorie:	Forschungseinrichtung
Träger:	Max-Planck-Gesellschaft
Rechtsform des Trägers:	Eingetragener Verein
Sitz des Trägers:	München
Standort der Einrichtung:	Göttingen
Art der Forschung:	Grundlagenforschung
Fächer:	Naturwissenschaften
Fachgebiete:	Biologie, Physik, Chemie
Grundfinanzierung:	Bund (50 %), Länder (50 %)
Leitung:	Herbert Jäckle (Geschäftsführender Direktor)
Mitarbeiter:	850
Homepage:	www.mpibpc.mpg.de

Das Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut) ist eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung unter der Trägerschaft der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und hat seinen Sitz in Göttingen.

Als einziges Max-Planck-Institut vereinigt es die drei klassischen Disziplinen der Naturwissenschaften – Biologie, Physik und Chemie. Bei seiner Gründung 1971 zunächst physikalisch-chemisch ausgerichtet, werden seitdem die neurobiologisch, biochemisch und molekularbiologisch orientierten Forschungsgebiete kontinuierlich ausgebaut.

Geschichte

Im Jahr 1949 entschloss sich die Max-Planck-Gesellschaft, als Nachfolge des ehemaligen Berliner Kaiser-Wilhelm-Instituts für physikalische Chemie das Max-Planck-Institut für physikalische Chemie in Göttingen zu gründen. Zum ersten Direktor dieses Instituts wurde Karl Friedrich Bonhoeffer ernannt. Als einer der ersten Wissenschaftler wandte Karl Friedrich Bonhoeffer physikalisch-chemische Methoden auch auf biologische Fragestellungen an. Damit legte er am damaligen Max-Planck-Institut für physikalische Chemie den Grundstein für eine interdisziplinär ausgerichtete Forschung.

Das heutige Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie entstand 1971 auf Initiative des Nobelpreisträgers Manfred Eigen, zu jener Zeit leitender Direktor des Max-Planck-Instituts für physikalische Chemie. Durch Zusammenlegung mit dem Göttinger Max-Planck-Institut für Spektroskopie entstand eines der größten Institute der Max-Planck-Gesellschaft. Karl Friedrich Bonhoeffer zu Ehren wurde das Institut nach ihm benannt.

Obwohl das Institut wie alle Max-Planck-Institute ausschließlich Grundlagenforschung betreibt, war es Ausgangspunkt erfolgreicher Firmengründungen wie Lambda Physik, DeveloGen und Evotec. Über Patente sind die Mitarbeiter, das Institut und die Max-Planck-Gesellschaft auch an der wirtschaftlichen Nutzung ihrer Ergebnisse beteiligt.

Die Geschichte des Instituts ist mit zahlreichen Preisen für herausragende wissenschaftliche Leistungen verbunden. Bereits 1967 erhielt Manfred Eigen (damals noch Direktor am Max-Planck-Institut für physikalische Chemie) den Nobelpreis für Chemie für seine Untersuchungen extrem schneller chemischer Reaktionen. Im Jahr 1991 wurde Erwin Neher und Bert Sakmann der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Erforschung von Ionenkanälen in Membranen von Nervenzellen verliehen. Im Jahre 2014 erhielt Stefan Hell den Chemienobelpreis für seine Arbeiten in der Lichtmikroskopie. Neben dem Nobelpreis wurden zahlreiche weitere Preise an Wissenschaftler des Instituts vergeben.

Profil

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie erforschen die grundlegenden Mechanismen, die Lebensprozesse regeln und steuern: wie die genetische Information in Proteine übersetzt wird und wie Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie die Energieübertragung auf Molekül-Ebene funktioniert, wie die zelluläre Logistik gesteuert wird oder wie Proteinaggregate Zellen schädigen. Zur Erforschung des zellulären Kosmos gesellt sich die Forschung auf Organismus-Ebene.

Um immer weiter in den Nanokosmos lebender Zellen vorzudringen, setzt das Institut ultrahochauflösende Mikroskopie, Nanotechnologie, Kernspintomografie, Kernspinresonanz-Spektroskopie, Massenspektrometrie, optische Spektrometrie und atomistische Computersimulationen ein. Gleichzeitig versteht es sich als Keimzelle der Entwicklung neuartiger und verbesserter Mess- und Analysemethoden.

Anfang 2012 waren insgesamt 850 Mitarbeiter am Institut tätig.

Abteilungen und Forschungsgruppen

Abteilungen

Das Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie hat zurzeit (Stand Ende 2015) 13 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
• Herbert Jäckle – Molekulare Entwicklungsbiologie
• Reinhard Jahn – Neurobiologie
• Reinhard Lührmann – Zelluläre Biochemie
• Marina Rodnina – Physikalische Biochemie
• Melina Schuh – Meiose (ab 1. Januar 2016 im Hauptamt)
• 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 werden 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 erfolgreich 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-/Wachrhythmus 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.

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 ultra-hochauflösende Laser-Mikroskopieverfahren erforscht und entwickelt. Die sogenannte 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 Organell oder sogar Proteine, sichtbar zu machen.

Molekulares Modell eines mit Botenstoffen gefüllten Transportbehälters (Vesikel). Entwickelt wurde das Modell in Kooperation von Wissenschaftlern der Abteilungen Jahn und Grubmüller, sowie der Forschungsgruppen de Groot, Klingauf und Urlaub.

Die von Herbert Jäckle geleitete Abteilung Molekulare Entwicklungsbiologie erforscht die genetischen Mechanismen, die der Entwicklung der Eizelle hin zum komplexen Embryo zugrunde liegen. Die Forscher untersuchen am Beispiel der Fliege, welche Kontrollmechanismen bewirken, dass aus einer einzigen Eizelle eine Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen und Organe hervorgehen kann. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Regulierung des Energiehaushalts, ein Problem, das den gesamten Organismus betrifft. Die Abteilung untersucht, welche Komponenten in der Fliege die Fettspeicherung und Mobilisierung regulieren und welche äußeren Faktoren, aber auch welche Gene Einfluss auf Fettleibigkeit haben.

Das Hauptinteresse der Abteilung Neurobiologie unter Leitung von Reinhard Jahn ist es, die molekularen Grundlagen der Fusion biologischer Membranen aufzuklären. Membranfusion ist ein universelles Phänomen, das zu den grundlegenden Lebensvorgängen höherer Zellen gehört. Jede Zelle ist von einer Membran umschlossen, die das Zellinnere von der Außenwelt abgrenzt. Darüber hinaus enthalten Zellen membranumgrenzte Kompartimente, die miteinander sowie mit der Außenmembran in ständigem Austausch stehen. Hierzu dienen Transportbehälter (Vesikel), die durch Abschnürung von einer Vorläufer-Membran gebildet werden und nach Transport an einer anderen Stelle mit einer „Ziel“-Membran verschmelzen. Die meisten dieser Fusionsvorgänge werden durch spezielle Proteine, sogenannte SNAREs, vermittelt. Einen Spezialfall, für den sich die Abteilung besonders interessiert, bilden Vesikel mit Substanzen, die für den Export aus der Zelle bestimmt sind, zum Beispiel Verdauungsenzyme, Hormone oder Neurotransmitter in Nervenzellen. Um ihren Inhalt freizusetzen, müssen diese Vesikel mit der Außenmembran der Zelle verschmelzen. Dabei stehen diejenigen SNARE-Proteine, die in Nervenzellen bei der Ausschüttung von Neurotransmittern mitwirken, im Zentrum der Forschungsarbeiten. Die Abteilung untersucht, wie die SNAREs zusammenarbeiten, mit welchen anderen Proteinen sie wechselwirken und durch welche molekularen Mechanismen die Membranfusion gesteuert wird.

Unter der Leitung von Reinhard Lührmann werden in der Abteilung Zelluläre Biochemie die molekularen Maschinen untersucht, die aus der Rohfassung einer Boten-RNA eine lesbare Vorlage für den Bau von Proteinen machen. Die Baupläne aller Proteine sind in der Erbsubstanz im Zellkern archiviert. Sie werden zunächst in eine Rohfassung der Boten-RNA umkopiert, aus der anschließend jedoch noch überflüssige Abschnitte entfernt werden müssen. Das Herausschneiden nicht benötigter Abschnitte aus der Rohfassung der Boten-RNA geschieht mit Hilfe einer äußerst komplexen molekularen Maschine, dem Spleißosom. Dieses besteht aus fünf Teilpartikeln, den sogenannten Snurps, die jeweils aus einer Ribonukleinsäure und diversen Proteinen aufgebaut sind. Die Wissenschaftler untersuchen mit biochemischen und strukturellen Methoden den Aufbau und die Funktion der einzelnen Snurps sowie deren regulierten Zusammenbau zu einem funktionsfähigen Spleißosom.

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.

In der zum 1. Januar 2015 von Melina Schuh hauptamtlich geleiteten Abteilung Meiose wird erforscht, wie sich befruchtungsfähige Eizellen in Säugetieren entwickeln.

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-Teile ergänzt sind. Die von der Abteilung hauptsächlich eingesetzte Methode zur Strukturaufklärung ist die der 3D-Transmissions-Elektronen-Kryomikroskopie, die auf der Transmissionselektronenmikroskop basiert. Hierbei kann die molekulare Struktur der untersuchten Objekt 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 großen Zahl von 24 unabhängigen Forschungsgruppen widerspiegelt.

Emeritusgruppen

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

• Thomas Jovin – Labor für zelluläre Dynamik
• Erwin Neher – Membranbiophysik
• Jürgen Troe – Spektroskopie und Photochemische Kinetik

Ehemalige Abteilungen

Einige der ehemaligen Direktoren setzen ihre Arbeit auch nach ihrer Zeit als Direktor einer Abteilung und Emeritusgruppe fort und sind weiterhin über das Institut direkt erreichbar (*).

• 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 Forschungs GmbH

Die unabhängige Forschungsstelle Biomedizinische NMR Forschungs GmbH wurde 1993 unter Leitung von Jens Frahm gegründet. Ziel seines Forschungsteams ist es, bildgebende Verfahren der nuklearmagnetischen Resonanz (NMR) zu entwickeln und für nicht-invasive 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.

Veranstaltungen des Instituts

Um die Forschung des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie auch für die Öffentlichkeit sichtbar zu machen, organisiert das Institut eine Reihe unterschiedlicher Aktivitäten. Neben Führungen für Besuchergruppen und Schulklassen stellen sich in allgemein verständlichen, öffentlichen Vorträgen immer wieder einzelne Abteilungen und Forschungsgruppen des Instituts vor. Im Rahmen der jährlich von der Stadt Göttingen veranstalteten „Göttinger Woche – Wissenschaft und Jugend“ sind Schüler eingeladen, die Forschung am Institut hautnah zu erleben. „Tage der offenen Tür“ bieten Interessierten die Möglichkeit, die Abteilungen und Forschungsgruppen direkt zu besuchen.

Kooperationen mit der Universität Göttingen und anderen Forschungseinrichtungen

Das Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie kooperiert eng mit der Universität Göttingen. Neben der aktiven Beteiligung an der Lehre zeigt sich dies in verschiedenen Verbundprojekten und gemeinsamen Forschungsinstituten wie dem European Neuroscience Institute (ENI), dem DFG-Forschungszentrum Molekularphysiologie des Gehirns (CMPB) und dem Bernstein Center for Computational Neuroscience (BCCN).

Das ENI Göttingen besteht seit dem Jahr 2000 als Kooperationsprojekt mit der Universität Göttingen und dem Göttinger Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin. Es widmet sich der experimentellen Forschung über Funktionen und Krankheiten des Nervensystems und soll langfristig die Behandlung von Krankheiten des Nervensystems wie Schizophrenie, Parkinson oder Alzheimer unterstützen.

Das DFG-Forschungszentrum CMBP ist ein Zusammenschluss von Forschergruppen der Göttinger Universität, der Max-Planck-Institute für biophysikalische Chemie und Experimentelle Medizin und des Deutschen Primatenzentrums (DPZ). Ziel des Forschungszentrums ist es, die molekularen Prozesse und Wechselwirkungen zwischen Nervenzellen besser zu verstehen, um langfristig Therapien für psychiatrische, neurologische und neurodegenerative Erkrankungen zu verbessern und weiterzuentwickeln.

Das BCCN in Göttingen wurde 2007 offiziell eröffnet und wird gemeinsam von der Georg-August-Universität, den Max-Planck-Instituten für biophysikalische Chemie und für Dynamik und Selbstorganisation und dem Deutschen Primatenzentrum getragen. Wissenschaftler erforschen die neuronalen Grundlagen von Leistungen des Gehirns auf der Basis mathematischer Modelle. Ein weiteres Ziel der Forscher ist es, innovative Techniken auf dem Gebiet der Robotik und der Neuroprothetik anzuwenden.

International Max Planck Research Schools (IMPRS)

Zwei International Max Planck Research Schools (IMPRS) wurden 2000 – gemeinsam mit der Universität Göttingen, dem Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin und dem Deutschen Primatenzentrum – ins Leben gerufen: die IMPRS for Molecular Biology und die IMPRS for Neurosciences (unter weiterer Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und des ENI Göttingen). Bei einer IMPRS handelt es sich um ein englischsprachiges Doktorandenprogramm, das vor allem ausländische Doktoranden anwerben soll. Sprecher der IMPRS for Molecular Biology ist Reinhard Jahn, Sprecher der IMPRS for Neurosciences ist Erwin Neher.

Seit dem Jahr 2008 gibt es als dritte Graduiertenschule die IMPRS for Physics of Biological and Complex Systems. Das Angebot richtet sich an besonders qualifizierte junge Wissenschaftler aus dem In- und Ausland. Beginnend mit dem Bachelor (B.Sc.) oder einem äquivalenten Abschluss führen die Programme in 18 Monaten zum Master of Science (M.Sc.) und in insgesamt 4 Jahren zur Promotion (PhD).

Weblinks

• Webseite des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut)
• Webseite des Max-Planck-Gesellschaft
• Umfangreiche Broschüre über das Institut, Stand Oktober 2009 (22. November 2012; PDF; 10,3 MB)

Einzelnachweise

Max-Planck-Institut in Göttingen

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation • Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften • Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung • Max-Planck-Institut zur Erforschung multireligiöser und multiethnischer Gesellschaften

51.5619444444449.9694444444444