Welcome to the research group Structural Biology

In nature, structure defines the function. We are, therefore, elucidating the molecular architecture of proteins and macromolecular complexes. Knowing their three-dimensional structure allows us to understand these fascinating nanomachines’ molecular mechanisms, which are involved in all cellular functions.  In the Department of Structural Biology at the University of Osnabrück, we are mainly concerned with membrane proteins. We analyze their structural dynamics to understand how they function; for this purpose, we use cryo-EM.

Membrane Proteins
Cells and their compartments are surrounded and protected by lipid bilayers. Integral membrane proteins (IMPs) are macromolecular machines embedded in these membranes and connect the otherwise separated interior and exterior of the cell. These proteins are responsible for signal transduction and passive and active transport through the lipid bilayer, essential cellular processes. Furthermore, membrane proteins are often exposed on the cell surface, making them accessible for therapeutics and have brought them into the focus of pharmaceutical drug development.

Cryo-EM
In cryo-EM, protein complexes are flash-frozen in liquid ethane to form a glassy suspension that allows imaging with an electron microscope at a hundred thousand times magnification. Such a cryo-EM image is comparable to an X-ray image, i.e., a transparent projection along its visual axis. In a complicated computer-aided analysis process, millions of such images are then processed to produce a high-resolution three-dimensional object density. By now, such 3D maps are so accurate that even individual atoms are visible.

Willkommen bei der Arbeitsgruppe Strukturbiologie

In der Natur bestimmt die Struktur immer die Funktion. Wir beschäftigen uns deshalb mit der Aufklärung der molekularen Architektur von Proteinen und makromolekularen Komplexen. Kennt man deren atomaren Aufbau, wird es nämlich möglich, die molekularen Mechanismen, dieser faszinierenden Nanomaschinen, die an allen zellulären Funktionen beteiligt sind, zu verstehen.  In der Abteilung Strukturbiologie der Universität Osnabrück beschäftigen wir uns hauptsächlich mit Membranproteinen. Wir analysieren ihre strukturelle Dynamik, um zu verstehen wie sie funktionieren; hierzu setzen wir vor allem die Methode der Kryo-EM ein. 

Membranproteine
Zellen und  ihre Kompartimente werden von Lipid-Doppelschichten umgeben und geschützt. In diese Membranen sind makromolekulare Maschinen oder integrale Membranproteine (IMPs) eingebettet, die das ansonsten getrennte innere und äußere verbinden. Diese Membranproteine sorgen für die Signalübertragung, sowie den passiven und aktiven Transport durch die Lipiddoppelschicht, was wesentliche zelluläre Prozesse darstellen. Darüber hinaus sind Membranproteine häufig auf der Zelloberfläche exponiert, was sie für Therapeutika zugänglich macht und sie in den Fokus der pharmazeutischen Arzneimittelentwicklung gerückt hat.

Kryo-EM
Bei der Kryo-EM werden Proteinkomplexe blitzartig in flüssigem Ethan eingefroren, sodass sich eine glasartige Suspension bildet, die es erlaubt Bilder mit hunderttausendfacher Vergrößerung von den Proteinen im Elektronenmikroskop aufzunehmen. Ein solches Kryo-EM-Bild ist vergleichbar mit einer Röntgenaufnahme, also eine Projektion entlang der Sichtachse. In einem komplizierten computergestützten Analyseverfahren werden dann Millionen solcher Bilder verrechnet, so dass eine hochaufgelöste dreidimensionale Dichte des Objektes entsteht. Mittlerweile sind solche 3D-Karten so genau, dass sogar einzelne Atome sichtbar sind.