Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum Leipzig (BBZ)

Forschungstätigkeit am Zentrum

An der Universität Leipzig wird auf der Grundlage des Rahmenprogramms "Biotechnologie-Offensive Sachsen" der Sächsischen Staatsregierung ein Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum aufgebaut. Dabei handelt es sich um eines von zwei Bioinnovationszentren in Sachsen. Die Förderperiode hat eine Laufzeit von fünf Jahren (2001-2005) mit einem Finanzvolumen von etwa 19 Mio €. Die finanziellen Mittel werden aus HWP und EFRE zur Verfügung gestellt. Ab 2006 erfolgt die Finanzierung aus dem Haushalt der Universität.
Das Biotechnologisch-Biomedizinische Zentrum ist eine zentrale Einrichtung der Universität Leipzig. Mit der Konzentration auf die Schwerpunkte "Moleküldesign" und "medizinische Biotechnologie" verbindet sich das erklärte Ziel der Universität, mit dem BBZ die Kompetenzen der vorhandenen Arbeitsgruppen und der neuen Professuren zu bündeln. Dem dient auch die Einrichtung von Nachwuchsgruppen. Durch eine eigene Geschäftsführung, die in die Verwaltung des Hochschulbereiches eingebunden ist, ist die Administration und Vergabe der Forschungsmittel effizient organisiert.

Im BBZ sollen vorhandene universitäre biotechnologisch relevante Forschungsrichtungen, mit neuen komplementären Forschungsfeldern aber auch außeruniversitären Forschungsrichtungen der Biomedizin und Biotechnologie zusammenarbeiten. Hinzu kommt eine enge Verflechtung von Wirtschaft und Wissenschaft durch die Ansiedlung von etablierten und neu zu gründenden Biotechnologieunternehmen.

Die Aufgaben des BBZ sind:

• Förderung der Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Biotechnologie und Biomedizin sowie verwandten Disziplinen
• Initiierung neuer Studiengänge, Weiterbildungs- und Fortbildungsangebote
• Förderung des Wissenstransfers in wirtschaftliche Aktivitäten

Professuren des BBZ

• Bioanalytik
• Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik
• Molekulare Pathogenese
• Molekulare Zelltherapie
• Strukturanalytik von Biopolymeren
• Zelltechniken und angewandte Stammzellbiologie

Selbständige wissenschaftliche Nachwuchsgruppen des BBZ

• Molekulare Diagnostik - Mikroarray-Techniken
• Angewandte molekulare Evolutionsforschung
• Protein Engineering
• Strukturaufklärung membranassoziierter Proteine mittels Festkörper-NMR
• Protein-Ligand-Wechselwirkung mittels Ionen-Cyclotron-Resonanz
• Massenspektrometrie
• Molekulare Infektionsmedizin

Ziel der Forschungsanstrengungen der Professur für Bioanalytik (Prof. Ralf Hoffmann) ist ein tieferes Verständnis der Regulation von Proteinen durch posttranslationale Modifikationen. Dies sind meist reversible aber auch irreversible chemische Modifikationen einer oder mehrerer definierter Positionen in der Proteinkette. Wichtige und weit verbreitete Beispiele sind Phosphorylierungen (Phosphorsäureester) an den Hydroxylgruppen von Serin, Threonin und Tyrosin oder Glykosylierungen (Zuckereinbau) an Serin, Threonin und Asparagin. Es werden derart modifizierte Proteine mit den modernen Techniken der Bioanalytik (Massenspektrometrie, HPLC, zweidimensionale Gelelektrophorese) analysiert und neue Methoden für weitere, bisher wenig untersuchte Modifikationen erarbeitet.
Ein aktuelles Target der Analysen ist das Tau-Protein, das in stark modifizierter und wahrscheinlich krankhaft veränderter Form (PHF-Tau) bei Patienten mit der Diagnose Alzheimer-Krankheit nachgewiesen wurde. Obwohl die Alzheimer-Krankheit seit Jahrzehnten von vielen Forschergruppen weltweit untersucht wird, sind bis heute die Ursachen unbekannt. Ein möglicher Zugang zur Krankheit ist das Tau-Protein, das in seiner Hauptvariante beim Menschen aus 441 Aminosäuren besteht. Die Arbeiten konzentrieren sich seit mehreren Jahren auf mögliche krankheitsrelevante Veränderungen dieses Proteins im Gehirn von Alzheimer-Patienten. In einer Kooperation mit zwei amerikanischen Gruppen konnten einige neue Modifikationen des humanen Tau-Proteins (PHF-Tau) identifiziert werden. Ferner konnten die Komplexität des Phosphorylierungsmusters in bovinen und humanen Proben mit massenspektrometrischen Techniken und der zwei-dimensionalen Gelelektrophorese belegt werden. Entgegen den Erwartungen scheinen sich die Phosphorylierungsmuster der Proteinpräparationen des Tau- und PHF-Tau-Proteins nur geringfügig zu unterscheiden.

Der größte Erfolg der Professur für Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik (Prof. Dr. Andrea Robitzki) war die Entwicklung und der Einsatz von planaren Zell-basierten Chipsystemen sowie von 3D-Gewebe-basierten Multi-Mikrokapillararrays für das funktionelle Biomonitoring und die Bioanalytik. An der Schnittstelle von Zell- und Molekularbiologie, Biotechnologie, Mikrosystem- und Sensortechnik konnte die zweite Biochip-Generation im Bereich der Proteom- und Stoffwechselforschung sowie für das pharmazeutische und pharmakotoxikologische Screening bereitgestellt werden. Verschiedene Zellpopulationen (z.B. neuronale, gliale Zelllinien, Mundschleimhautmodelle) und Gewebemodelle (z.B. 3D in vitro Retinamodelle, Herzmuskelzellaggregate oder Tumormodelle) wurden entwickelt, etabliert und mit Biosensoren gekoppelt. Dieser neue Technologieansatz konnte national wie international patentiert werden. Die industrienahe Forschung und Entwicklung gliedert sich in zwei marktorientierte Arbeitsbereiche. Die Projektgruppe "Biotechnologische Prozesstechnik & Biochipmodule" beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer bioelektronischer Assays, planarer Elektrophysiologie- & Patch Clamp-Module (MEA, Multielektrodenarrays), optoelektronischer Sensorelemente für die in vivo Diagnostik & das Einzelzell-Monitoring, biotechnologischer (Mikro-) Ultraschallsysteme sowie der Prozesstechnologie für automatisierte, dreidimensionale Gewebekultivierung. Eine optimale Synergie zur Entwicklung von biohybriden Systemen ("living chips" oder endoluminalen Biosensoren für das Gefäßmonitoring) konnte mit der zweiten Projektgruppe "Zell- & Gewebemodellierung" erzielt werden. Es wurden zahlreiche Zell- and Gewebemodelle für Diagnostik, Rezeptorfunktionsassays, Primärzellkulturen entwickelt; weitere 3D in vitro Netzhaut-basierte Screeningmodule, bioelektronische Photorezeptor-basierte Systeme (MEA) sowie Mundschleimhautmodelle für die medizinische Regeneration und die Biokompatibilitätstestung (ISO) konnten hergestellt und charakterisiert werden.

Das Forschungsinteresse der Professur für Strukturanalytik von Biopolymeren (Prof. Dr. Norbert Sträter) liegt in der Anwendung biochemischer und biophysikalischer Methoden, hauptsächlich der Proteinkristallographie, zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Raumstruktur und Funktion von Proteinen. Dabei werden gegenwärtig vor allem Enzyme, insbesondere Metalloenzyme, aber auch andere hinsichtlich katalytischer Reaktivität oder medizinischer und biotechnologischer Bedeutung interessanter Proteine untersucht. Neben der Strukturaufklärung des nativen Proteins steht dabei immer die Charakterisierung des Reaktionsmechanismus und der Funktionsweise des Proteins auf molekularer Ebene im Vordergrund. Aktuelle Projekte konzentrieren sich auf die Katalyse durch dinukleare Metallenzyme sowie auf pharmakologisch relevante Proteine im Bereich der extrazellulären Rezeptoren und der nachgeschalteten Signaltransduktion. Die Forschung ist an der Schnittstelle zwischen Biowissenschaften und Chemie angesiedelt. Als Beispiel seien hier vor allem die Aufklärung der chemischen Reaktionsmechanismen der Enzyme genannt sowie die Charakterisierung der molekularen Wirkungsweise synthetischer Wirkstoffe an den biologischen Targets durch Aufklärung der entsprechenden Komplexstrukturen.

Die Nachwuchsgruppe Molekulare Diagnostik - Mikroarray Technologien (Dr. Peter Ahnert) analysiert die Rolle der interindividuellen genetischen Diversität in der Ätiologie und Pathogenese von Autoimmunerkrankungen, insbesondere der rheumatoiden Arthritis. Autoimmunerkrankungen wie die rheumatoide Arthritis (RA) sind komplexe Erkrankungen mit verschiedenen ursächlichen Faktoren. Es ist bekannt, dass genetische Veranlagungen eine Rolle in der Entstehung und im Verlauf der Erkrankung spielen. Man weiß auch, dass andere Genorte als der bekannte HLA Lokus involviert sind. Um welche Gene, und welche Varianten dieser Gene, es dabei geht ist hingegen weitgehend unbekannt. Die Analyse von Kandidatengenen und den darin vorkommenden Polymorphismen in Familien- und Fall-Kontroll-Studien kann darüber Aufschluss geben. Höchstwahrscheinlich sind Kombinationen von Genvarianten geringer Penetranz für das Krankheitsgeschehen verantwortlich. Methoden der Systembiologie stellen hier einen Lösungsansatz dar. Ziel des Projektes ist es, einen Beitrag zur Aufklärung der genetischen Komponente der RA zu leisten und Methoden zur genetischen Analyse komplexer Erkrankungen weiterzuentwickeln.

In der Nachwuchsgruppe Angewandte Molekulare Evolution (Dr. Susanne Brakmann) werden Nucleinsäure-Polymerasen und Exonucleasen mit Verfahren der gerichteten Evolution funktional optimiert. Wichtigstes Ergebnis des vergangenen Jahres war das Auffinden einer Exonuclease, die anstelle ihres natürlichen Substrats auch DNA hydrolysiert, deren einer Strang ausschließlich aus fluoreszenzmarkierten Analoga der Nucleobasen aufgebaut ist. Die Arbeiten zur hochgradigen Fluoreszenzmarkierung von DNA und zu deren sequentieller Hydrolyse bilden die biochemische Grundlage zur Realisierung der Einzelmolekül-Sequenzierung, durch die einzelne Abweichungen in Genabschnitten feststellbar sind und eventuell bis zu einer Million Nucleobasen pro Gerät und Tag entschlüsselt werden können.

Die Nachwuchsgruppe Protein Engineering (Dr. Thomas Greiner-Stöffele) befasst sich mit dem Rationalen Design oder in vitro Evolution einer thermostabilen Exonuclease III. Für die Automatisierung einer Methode für die homologe in vitro Rekombination von Proteinen wird eine thermostabile Exonuclease III -Variante benötigt. Durch Sequenzvergleiche wurden die Gene für fünf zu Exonuclease III aus E. coli homologer Proteine isoliert. Das entsprechende Genprodukt aus Archaeoglobus fulgidus wurde in E. coli überproduziert, gereinigt und erstmalig biochemisch charakterisiert. Hierbei zeigte sich, dass das Enzym im Gegensatz zu Exonuclease III aus E. coli eine unspezifische DNase darstellt. Strukturuntersuchungen zur Analyse der Unterschiede zwischen beiden Proteinen bezüglich Thermostabilität und Substratspezifität wurden begonnen. Neben dem Start von in vitro Evolutionsansätzen zur Erhöhung der Thermostabilität von Exonuclease III wurden verschiedene durch Computer-Modellierungen gefundene Mutationen in das Protein eingefügt. Hierdurch konnte die Stabilität des Enzyms bis jetzt um 15 °C erhöht werden.

Die Nachwuchsgruppe Strukturaufklärung membranassoziierter Proteine mittels Festkörper-NMR (Dr. Daniel Huster) beschäftigte sich insbesondere mit der Membranstruktur der Peptide B18 und N-ras. Bei B18 handelt es sich um die fusogene Sequenz des Fusionsproteins Bindin. Das N-ras-Peptid entspricht dem doppelt lipidmodifizierten C-Terminus des menschlichen ras-Proteins.
Mittels Festkörper-NMR-Verfahren konnte gezeigt werden, dass B18 in Lipidmembranen eine relativ rigide oligomere parallele b-Faltblattstruktur besitzt. Das Peptid dringt in den hydrophoben Teil der Membran ein.
Dagegen besitzt das N-ras-Peptid eine hohe Dynamik an der Membranoberfläche, es wurden keine Anzeichen für eine definierte Sekundärstruktur gefunden. Das Peptid befindet sich in der Membran-Wasser-Grenzschicht, hydrophobe Aminosäuren dringen in den Membrankern ein. Diese auf NMR-Messungen beruhende Membrantopologie konnte mit Neutronenstreuexperimenten bestätigt werden.
Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, die es erlaubt, die Eindringtiefe von Membranproteinsegmenten mittels einfacher Relaxationszeitmessungen in Gegenwart von paramagnetischen Spinlabeln zu bestimmen. Diese Methodik wurde für das transmembrane Modellpeptid WALP-16 gezeigt.
Schließlich beschäftigte sich die Gruppe mit der komplexen Dynamik von Bacteriorhodopsin sowie der physikochemischen Charakterisierung von Cholesterolanaloga und der Membranbindung von Flavanoiden.

Von der Nachwuchsgruppe Protein-Ligand-Wechselwirkung mittels Ionen-Cyclotron-Resonanz-Massenspektrometrie (Frau Dr. Andrea Sinz) wurde die Nano-HPLC / Nano-ESI-FTICR-MS (Elektrospray Ionisierung Fourier Transformation-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie)-Kopplung etabliert und für die Proteomanalytik eingesetzt. Es ist nun möglich, auch "low abundant proteins" zu identifizieren, die für die Aufklärung der Entstehung eines Krankheitsgeschehens oftmals von entscheidender Bedeutung sind. In Kooperation mit der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig wurde diese Analysenmethode erfolgreich für die Proteomanalyse von krankhaft verändertem Schilddrüsengewebe angewendet.
Unter Verwendung massenspektrometrischer Methoden in Kombination mit chemischem Cross-Linking wurden neue Ansätze zur Aufklärung der 3D-Struktur von Proteinen und der Interaktionsseiten innerhalb von Proteinkomplexen entwickelt. Hochkomplexe Gemische, wie sie nach chemischen Cross-Linking-Experimenten erhalten werden, konnten mittels der Nano-HPLC / Nano-ESI-FTICR-MS-Kopplung analysiert werden. Die Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen wurde an den Proteinen Cytochrom C und Lysozym etabliert. Die Entwicklung einer allgemein anwendbaren Methode zur Aufklärung von Proteininteraktionsseiten erfolgte anhand des gut charakterisierten Proteinkomplexes aus Calmodulin und Melittin.
Non-kovalente Peptid/Metall-Komplexe wurden mit Hilfe der ESI-FTICR-Massenspektrometrie untersucht. Hierfür wurde ein von Bindin abgeleitetes Peptid (B18) verwendet, das im Seeigel bei der Fertilisation für die Membranfusion von Bedeutung ist. Bislang ist bekannt, dass die Interaktion von B18 mit Lipidmembranen durch bestimmte Metallkationen, wie z.B Zn 2+ modifiziert wird, jedoch bestehen Unklarheiten über die Bindungsfähigkeit von B18 zu verschiedenen Metallkationen. ESI-FTICR-massenspektrometrische Untersuchungen erlaubten es, sowohl Stöchiometrie als auch relative Bindungsaffinitäten von B18 und sieben Mutanten mit verschiedenen divalenten Metallkationen zu bestimmen.

Die Nachwuchsgruppe Molekulare Infektionsmedizin (Dr. Reinhard Straubinger) befasst sich mit molekularen Persistenzmechanismen von Borrelia burgdorferi. Borrelia burgdorferi sensu lato ist eine Gruppe von spiralförmigen, aktiv beweglichen Bakterien aus der Familie der Spirochäten. Sie sind Ursache eines Krankheitsbildes, das bei Menschen und Tieren unter den Bezeichnungen Lyme-Borreliose oder Lyme disease bekannt ist. Trotz einer ausgeprägten humoralen und zellulären Immunantwort des Wirtes und trotz antibiotischer Behandlung können Borrelien in Geweben infizierter Wirte persistieren. Vor kurzem wurde gezeigt, dass Borrelia burgdorferi nicht nur in der typischen Spiralenform vorzufinden ist, sondern dass das Bakterium unter Stressbedingungen sich in kugelförmige Gebilde ("Zysten") verwandeln kann. Bisherige Ergebnisse zeigen, das einige dieser enzystierten Erreger bei Raumtemperatur unter hypotonen Bedingungen (destilliertes Wasser) zumindest 24 Stunden lang lebensfähig bleiben. Hingegen zeigen die messenger RNA (mRNA) und Oberflächenproteine dieser Bakterien nach ca. 4 Tagen Veränderungen, die als Abbauerscheinungen gedeutet werden können und zu vermindertem Überlebensraten beitragen könnten.