Institut für Biochemie

(*Dieser Text wurde 1997 von den Mitgliedern Instituts als Beitrag zur Fakultätsbroschüre erstellt.)

Proteine - die Alleskönner der Evolution

Forschungsprofil

Das zentrale Thema des Instituts ist die Struktur und Funktion von Proteinen. Proteine sind die vielseitigsten Makromoleküle, sowohl in ihrer Raumstruktur als auch hinsichtlich ihrer Funktion im Stoffwechsel. Sie bilden in der Zelle Stützstrukturen (Faserproteine), sie sind Biokatalysatoren (Enzyme), sie dienen der Energieumwandlung, dem Stofftransport, dem zellulären Informationstransfer (Signaltransduktion) sowie der Abwehr von Fremdmolekülen und -organismen (Immunität). Proteine sind aus einfachen Bausteinen (Aminosäuren) zusammengesetzt. Sie falten sich zu komplexen Raumstrukturen und haben sich im Laufe der Evolution ihrer jeweiligen Funktion optimal angepaßt. Arbeitsgruppen des Instituts untersuchen, wie sich die Funktion eines Proteins aus seiner räumlichen Struktur nach rationalen Prinzipien ableiten läßt. Solche Analysen erlauben Wissenschaftlern unter Einsatz moderner Methoden der Gen- und Biotechnologie, Proteine mit neuartigen Eigenschaften zu konstruieren. Diese Proteine können in vielen Gebieten, wie z.B. der medizinischen Forschung und Anwendung oder der biotechnologischen Produktion von Nähr- und Futterstoffen, zum Einsatz kommen.

Forschungsschwerpunkte

Die Arbeitsgruppen des Instituts untersuchen mit molekularbiologischen, biochemischen und biophysikalischen Methoden die Zusammenhänge zwischen Sequenz, Struktur und Funktion von Proteinen. Eine Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Strukturbiochemie sowie mit Proteinfaltung und -design. Die entschlüsselte Raumstruktur eines Proteins und biochemische Experimente erlauben den Forschern, die biologische Funktion genau zu verstehen und anwendungsbezogen zu verändern.

Institutsmitglieder arbeiten an der Weiterentwicklung der Methoden der Bioinformatik. Diese ermöglicht, 3D-Strukturen von Proteinen und ihre Komplexe mit molekularen Partnern vorherzusagen. Proteine funktionieren biologisch u.a. als Biokatalysator, Hormon oder Antikörper. Diese Funktion beruht auf Wechselwirkungen mit den anderen molekularen Bestandteilen. Die Untersuchung und theoretische Simulation dieser Wechselwirkungen wird in Zukunft zu einer Entwicklung von Medikamenten mit geringen Nebenwirkungen beitragen.

Um die Funktion von Proteinen untersuchen zu können, werden sie zur Einheitlichkeit gereinigt und molekular charakterisiert. Neue Techniken erlauben der Analytischen Biochemie, geringste Substanzmengen zu trennen und zu identifizieren. Die Forscher kombinieren massenspektrometische Techniken und biochemische Derivatisierungsmethoden und erlangen hiermit und mit der Protein-Röntgenstrukturanalyse Informationen zur Proteinfaltung.

Ein weiter Schwerpunkt ist die Molekulare Enzymologie. Hier werden Enzyme biochemisch und strukturanalytisch untersucht. Dabei nutzt die Gruppe gezielte Mutationen kombiniert mit physikalisch - chemischer Analyse. Ihr Ziel ist es, die Aktivierung der Enzyme, den Mechanismus dieser Aktivität und die spezifische Substraterkennung zu verstehen.

Das Projekt Signaltransduktion und Kinasen ist eng mit dem Zentrum für Molekulare Medizin verbunden. Die Forscher arbeiten an der Aufklärung der Insulinrezeptor-Signalkaskade - ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis der Zuckerkrankheit. Ein anderer Schwerpunkt ist die Struktur und Funktion von Proteinen, die in Membranen der Zelle verankert sind. Membranproteine vermitteln den Kontakt zwischen intrazellulären Vorgängen und dem extrazellulären Milieu beim Stoff-, Energie- und Informationstransfer. Die besondere Eigenschaft dieser Transportsysteme, ihre Wirkung in drei verschiedenen Kompartimenten zu entfalten, stellt die experimentelle Herausforderung dieses Themas dar. Produkte des mikrobiellen oder pflanzlichen Sekundärstoffwechsels spielen eine wichtige Rolle im Leben und Überleben der produzierenden Organismen. Struktur- und Biosynthese sowie Struktur- und Wirkungsbeziehungen erforscht die Gruppe Biochemie von Sekundärmetaboliten.

Die Strukturproteine pflanzlicher Zellwände sind zum Großteil noch unerforscht. Kölner Wissenschaftler bemühen sich, die Struktur, Wechselwirkungen und Quervernetzungen aufzuklären.

Verknüpfungen und Ausstattung

Die Biochemiker kooperieren u.a. international mit 20 universitären Arbeitskreisen. Drittmittel erhalten sie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium sowie der Industrie. Die Ausstattung umfaßt u.a. Röntgenmeßplätze, Massenspektrometer und Spektralphotometer.