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Wer mit wem und warum?

Das „Rappsilber Laboratory“ analysiert die Struktur und die Wechselwirkungen von Proteinen in ihrer natürlichen Umgebung

Lediglich ein paar Blue-Cap-Flaschen in dem Analyse-Labor deuten darauf hin, dass es im „Rappsilber Laboratory“ um Biochemie geht
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Die exakte 3D-Struktur von Proteinen zu entschlüsseln, ist das Ziel von Juri Rappsilber. Manchmal hilft ein Modell bei der Visualisierung
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Der Begriff „Protein“ stammt ursprünglich aus dem Altgriechischen („protos“) und bedeutet so viel wie „das Wichtigste“ oder „erstrangig“, und genau das sind diese Baustoffe des Lebens auch für Prof. Dr. Juri Rappsilber, Leiter des Fachgebiets Bioanalytik an der TU Berlin. „Sie sind die vielfältigsten und variabelsten Bausteine des Lebens. Ohne Proteine passiert nichts – sie gelten als Schlüssel-Moleküle in allen lebenden Zellen, unter anderem verantwortlich für Struktur, Funktion und Regulation von Gewebe und Organen im menschlichen Körper“, so der studierte Chemiker. Übergeordnetes Ziel des „Rappsilber Laboratory“ ist es, zu verstehen, wie sich Proteine in ihrer natürlichen Umgebung falten, wie und mit wem sie interagieren und sich in größeren Strukturen assoziieren.

Das Flüssigchromatographie-Massenspektrometer ist das Herzstück des „Rappsilber Laboratory“
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Dazu analysieren die Wissenschaftler*innen Proteine hauptsächlich in zwei verschiedenen Verfahren, die in dem Fachgebiet weiterentwickelt wurden. Beide basieren auf der kreativen rechnerischen Abfrage von massenspektrometrischen Daten. Diese Daten gewinnen die Wissenschaftler*innen mit Hilfe eines der fortschrittlichsten und modernsten Massenspektrometer, die auf dem Markt sind.
Dieses sogenannte Flüssigchromatographie-Massenspektrometer (LC-MS) ist das Herzstück der Analytik in den Laboren von Juri Rappsilber. Spektakulär sieht das 1,5 Millionen Euro teure Gerät, das wohlbehütet in einem eigenen klimatisierten und verschatteten Raum steht, nicht aus. Von außen sieht man lediglich eine glatte metallene Außenhaut mit einer Einspritzanlage an der einen Seite und einem großen Bildschirm auf der anderen Seite. Die verbaute Hightech bleibt hinter der glatten Metall-Fassade verborgen. Grundsätzlich funktioniert ein Massenspektrometer, indem es die eingespritzte Probe ionisiert,  also mit einer elektrischen Ladung versieht, und in die Gasphase bringt. Die Probe sind die zu analysierenden Proteine, welche zuvor mit einem speziellen Enzym zu Peptiden – Bruchstücken von Proteinen – verdaut wurden. Diese Ionen werden anschließend in einem elektrischen Feld nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt. Das resultierende Massenspektrum der Peptide wird mit speziellen Proteindatenbanken verglichen, um die Proteinsequenz zu rekonstruieren. Bei einem Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometer (LC-MS) werden die Substanzgemische im Rahmen der Chromatographie nach Molekülgröße getrennt, bevor sie in das Massenspektrometer wandern. Dadurch können auch kleinste Substanzmengen analysiert werden.
„Uns interessiert aber nicht nur die reine Proteinsequenz, sondern die dynamische 3D-Struktur eines Proteins und seine Interaktionen innerhalb der Zelle – also in seinem natürlichen Umfeld“, so Juri Rappsilber. „Dazu arbeiten wir mit einer sehr breiten Palette interdisziplinärer Techniken.“ Spezielle Expertise entwickelte sein Labor zum einen in dem sogenannten Crosslinking-Verfahren sowie bei der Daten-Zusammenführung und -Visualisierung. Letzteres entwickelt ein eigenes Team der Rappsilber-Gruppe an der Universität in Edinburgh.
Beim Crosslinking handelt es sich um ein Verfahren, bei dem funktionelle Gruppen von Aminosäuren innerhalb eines Proteins oder auch zwischen zwei Proteinen innerhalb eines Proteinkomplexes mit Hilfe eines bestimmten „Klebers“ fest verbunden werden. Danach werden diese Proteine wie oben beschrieben im Massenspektrometer analysiert. „Aus dem Wissen, welche Bausteine eines Proteins sich nahe genug waren, um überhaupt durch die Crosslinking-Substanzen miteinander verknüpft zu werden, lassen sich wertvolle Informationen über die 3D-Struktur der Proteine oder Proteinkomplexe ziehen“, so Juri Rappsilber. Alle publizierten Ergebnisse und Daten stellen die Wissenschaftler*innen der Rappsilber-Gruppe frei online zur Verfügung. „Meine Vision ist es, irgendwann die 3D-Struktur jedes einzelnen Proteins in jeder Zelle mitsamt seinen Wechselwirkungen zeitaufgelöst darzustellen“, so Juri Rappsilber.

Über eine spezielle Einspritzdüse gelangen kleinste Mengen der zu untersuchenden Proteine in das Messgerät
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Mit Hilfe der Flüssigkeitschromatographie werden die Proben nach Molekülgröße getrennt, bevor sie in das Massenspektrometer überführt werden
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Die Auswertung der Daten ist Teamarbeit
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Das Team

Prof. Dr. Juri Rappsilber, Leiter des Fachgebiets Bioanalytik:

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„Proteine sind die Bausteine des Lebens und haben mich schon immer fasziniert“, so Juri Rappsilber, der 1995 sein Diplom an der TU Berlin mit dem Erwin-Stephan-Preis für überdurchschnittliche Abschlussnoten und kurze Studiendauer abschloss. Nach mehreren Studien- und Forschungsaufenthalten im Ausland – unter anderem an der Harvard Medical School – wurde er 2010 Professor für Proteomik an der University of Edinburgh, bevor er 2011 als Einstein-Professor an die TU Berlin zurückkam und hier das Labor für Bioanalytik aufbaute.

Francis O‘Reilly, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Bioanalytik:

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„Ich stamme ursprünglich aus einem kleinen Dorf an der Grenze zwischen Nordirland und der Republik Irland und habe in Edinburgh studiert, bevor ich für meine Doktorarbeit nach Heidelberg wechselte. Ich interessiere mich dafür, wie Proteine sich innerhalb einer Zelle zu kleinen molekularen Maschinen zusammenschließen und welche Proteine daran beteiligt sind. Dazu entwickeln wir hier spezielle neue Verfahren, diese molekularen Maschinen in der Zelle so zu stabilisieren, dass wir sie anschließend im Massenspektrometer analysieren können. Gelingt uns das, wäre das ein riesiger Schritt nach vorn auf dem Weg zum Verständnis davon, wie Zellen funktionieren.“

Swantje Lenz, wissenschaftliche Mitarbeiterin des Fachgebiets Bioanalytik:

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„Ich bin erst zum Studium der Biotechnologie an die Technische Universität Berlin gekommen und komme ursprünglich aus Norddeutschland. Während meiner Masterarbeit in der Gruppe von Professor Rappsilber habe ich mich damit beschäftigt, einen entscheidenden Schritt in unserer Datenverarbeitungs-Pipeline zu optimieren. Anschließend hatte ich die Möglichkeit, als Doktorandin in der Gruppe zu bleiben. Zurzeit entwickele ich unsere spezielle Software weiter, die zur Identifikation der sogenannten Crosslinks – der festen Verbindung von mehreren Peptiden oder Proteinen – dient. Daneben arbeite ich auch an der Integration dieser Crosslinks in die Proteinstrukturmodellierung.“

Ana Pérez-López, IPODI Fellow im Fachgebiet Bioanalytik:

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„Ich habe in Spanien im Bereich der medizinischen Chemie promoviert. Von Anfang an war ich davon besessen, an der Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie zu arbeiten, mit dem enormen Potenzial, lebensbessernde Veränderungen herbeizuführen. Mein Interesse an der Krebsforschung und meine Erfahrung mit der innerzellulären Metallkatalyse haben mich dazu veranlasst, während eines Forschungsaufenthaltes in Edinburgh eine katalytische Chemie auf Goldbasis für die gezielte Krebstherapie zu entwickeln. Mit dem IPODI-Stipendium bin ich jetzt an das ,Rappsilber Laboratory‘ gewechselt. Mein Ziel ist es, bessere biokompatible Katalysatorsysteme herzustellen. “

Katharina Jung, TU intern Dezember 2019

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