Max-Planck-Institut für medizinische Forschung

Der Stifterverband zeichnet das Start-up für eine Technik aus, die Batterien deutlich leistungsfähiger und kostengünstiger macht

Vier Max-Planck-Projekte sichern sich die ERC Consolidator Grants 2023

Forschende können mit neuen MINFLUX-Mikroskopen Veränderungen der Proteinstruktur unter physiologischen Bedingungen beobachten

Forschende setzen Partikel mit Hilfe von Ultraschall zu dreidimensionalen Objekten zusammen

Forschende entdecken mit Hilfe minimalistischer Sars-CoV-2-Virionen einen Faltmechanismus des Spike-Proteins

Was ist Leben? Wie ist es entstanden? Und könnte es vielleicht auch völlig anders aussehen? Im Labor von Kerstin Göpfrich am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg geht es um Antworten auf die ganz großen Fragen. Der Plan der Forschungsgruppe ist nicht weniger ehrgeizig: künstliche Zellen schaffen und auf diese Weise herausfinden, was für das Leben unerlässlich ist.

Den Transport einzelner Proteine oder winzige Membranbläschen in lebenden Zellen, die Synapsen von Neuronen oder das Skelett von Tumorzellen in allen Details – das alles können STED-Mikroskope sichtbar machen. Die Technik erfunden hat Stefan Hell, Direktor an den Max-Planck-Instituten für biophysikalische Chemie in Göttingen und für medizinische Forschung in Heidelberg. Inzwischen vertreibt das Spin-off Abberior Instruments die Fluoreszenzmikroskope mit der besten Auflösung am Markt. Und immer wieder verschieben Forschende des Instituts und auch des Unternehmens die Grenzen des Sichtbaren.

Viren sind unglaublich klein. Manche Exemplare fallen jedoch etwas aus dem Rahmen und werden größer als eine Bakterienzelle. Matthias Fischer vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg ist einer der wenigen Wissenschaftler, die sich mit solchen Riesenviren beschäftigen.

Leben ist Bewegung und Austausch mit der Umwelt – das gilt auch für Zellen innerhalb eines Organismus. Damit Zellen von einem Ort zum andern gelangen, müssen sie sich aber nicht nur fortbewegen können, sie müssen auch mit ihrer Umgebung in Kontakt treten. Joachim Spatz und sein Team verfolgen am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, wie Zellen dabei vorgehen. Der Träger des Leibniz-Preises 2017 schickt diese dafür auf den Laufsteg und durch mit Hindernissen gespickte Parcours und testet ihre mechanischen Hafteigenschaften.

Mit Licht kann man Bilder projizieren. Eine Erfindung unserer Arbeitsgruppe erlaubt es jetzt auch, „Schallbilder“ zu projizieren, was neue Perspektiven in der biomedizinischen Forschung eröffnet. Ein Hologramm formt dabei eine Ultraschallwelle und deren räumliche Intensitätsverteilung. Da eine Welle auch Kräfte überträgt, lassen sich mithilfe der Schallbilder Zellen neu anordnen. Wir möchten dies für den Biodruck von Zellstrukturen und Organoiden und für neue Anwendungen in der Biomedizin nutzen.

Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie (Nanoskopie) kann mittlerweile sogar molekulare Auflösungen erreichen. Dies erfordert neuartige Fluoreszenzmoleküle, welche den Anforderungen dieser Verfahren gerecht werden. Das Design kleinerer photoaktivierbarer fluoreszenter Moleküle verbessert die Markierung von Proteinen in lebenden Zellen und ermöglicht eine einfache Bildgebung auch mit den neuesten Nanoskopie-Konzepten. Wir haben eine neue Familie photoaktivierbarer Xanthon-Farbstoffe (PaX) entwickelt, die in der hochauflösenden Bildgebung vielseitig einsetzbar ist.

Die räumliche Nähe von Proteinen zueinander spielt eine zentrale Rolle in der Regulierung zellbiologischer Prozesse. Die Entwicklung von "chemische Induktoren der Nähe" (CIP)  erlaubt gezielte Manipulation der räumlichen Organisation von Proteinen und ermöglicht damit die Aufklärung der Regulationsprozesse. Mit der Substanz Mandipropamid hat unsere Arbeitsgruppe einen neuen CIP entwickelt, der sich durch hohe Effizienz auszeichnet und sich hervorragend für die in vivo Anwendung eignet.

Fluoreszenzmikroskopie erlaubt die Untersuchung zellbiologischer Prozesse mit molekularer Auflösung. Ihr Einsatz in lebenden Zellen ist bislang jedoch durch einen Mangel an geeigneten Fluoreszenzsonden eingeschränkt. Wir haben eine Strategie entwickelt, um aus regulären, verschiedenfarbigen Fluorophoren fluorogene Sonden zu erzeugen, die sehr gut in die Zelle eindringen können und nur ein geringes, unspezifisches „Hintergrundrauschen“ erzeugen. Diese Sonden sind für verschiedene Arten der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie geeignet und ermöglichen neue Einblicke in biologische Prozesse.

Die Entstehung von Leben auf der Erde beweist: Belebte Materie kann aus unbelebten Bausteinen hervorgehen. Doch ist es möglich, diesen Prozess im Labor nachzuvollziehen? Können einzelne Moleküle zu einer künstlichen Zelle zusammengesetzt werden? Mit DNA-Origami, der Faltkunst in der Nanowelt, entwerfen wir zelluläre Komponenten. Anschließend setzten wir diese und andere Molekularbausteine in zell-ähnlichen Kompartimenten zusammen. Stück für Stück soll so eine künstliche Zelle entstehen, die zukünftig auch im lebenden Organismus wichtige Aufgaben übernehmen könnte.