Forschung

Die Forschung im Institut für Biochemie konzentriert sich auf biochemische und strukturelle Untersuchungen an Proteinen aus Pathogenen und deren Wirtszellen; mit dem Ziel, molekulare Mechanismen zu verstehen, die für verschiedene Schritte des Replikationszyklus essentiell sind. Ein zweiter Schwerpunkt ist die Entwicklung neuer Strategien zur Proteinkristallisation und Erfassung von Röntgendiffraktionsdaten.

Unsere Hauptziele sind:

  1. Die strukturelle Charakterisierung von Virusglykoproteinen und deren Interaktionen mit dem Immunsystem sowie die Identifizierung der Determinanten einer effizienten neutralisierenden Antikörperantwort, um dadurch das Design von Impfstoffen zu erleichtern. Wir haben gezeigt, dass die Rezeptor-Bindungsstelle innerhalb der Hepatitis-C-Virus (HCV)-Glykoproteine - die das Hauptziel der neutralisierenden Antikörper in HCV-infizierten Patienten darstellt - konformationell sehr flexibel ist. Diese Flexibilität stellt wahrscheinlich eine neue Strategie dar, die HCV nutzt, um potent neutralisierende Antikörper zu umgehen, und ist daher für das Design von Impfstoffen direkt relevant.
     
  2. Das Verständnis der Prinzipien, die der intrazellulären Proteinkristallisation zugrunde liegen, und die Nutzung dieser Fähigkeit von eukaryotischen Zellen für die Röntgenkristallographie bieten eine vielseitige Alternative zur "in-surfo"-Kristallisation. Zu diesem Zweck haben wir eine Plattform für die intrazelluläre Kristallisation von rekombinanten Proteinen in Insektenzellen etabliert.
     
  3. Wir haben eine Pipeline zur Identifizierung und Charakterisierung von humanen monoklonalen Antikörpern etabliert, die eine Reihe von verschiedenen Viren wirksam neutralisieren. Dazu verwenden wir fortschrittliche Einzelzelltechnologie in Kombination mit Next Generation Sequencing, rekombinanter Proteinexpression, Strukturbestimmung mittels Röntgenkristallographie und biochemischer Charakterisierung der Antikörper-Antigen-Interaktion. Diese Plattform haben wir z.B. genutzt, um humane neutralisierende Antikörper zu isolieren, die effizient gegen die derzeit zirkulierenden SARS-CoV-2-Varianten wirken.
     
  4. Das Verständnis der Wirkung von viralen Proteinmodifikatoren, insbesondere SUMO und Ubiquitin-Ligasen aus verschiedenen Herpesviren. Die Veränderung des SUMOylierungsstatus von zellulären Proteinen ist oft vorteilhaft für die virale Infektion und kann den Wechsel vom latenten zum lytischen Replikationszyklus ermöglichen, der Herpesviren eigen ist. Um die Details dieser Interaktionen zu verstehen, nutzen wir biochemische und biophysikalische Methoden sowie die Strukturbiologie mit viralen und zellulären Multiproteinkomplexen.
     
  5. Die Genomgröße von RNA-Viren ist normalerweise durch die geringe Kopiergenauigkeit des RNA-Syntheseprozesses begrenzt. Interessanterweise weisen Mitglieder der Ordnung Nidovirales große RNA-Genome auf, die eine Proof-Reading-Aktivität durch eine 3'-5'-Exoribonuklease (ExoN) nahelegen. Unser Ziel ist es, ExoN-Proteine aus verschiedenen Nidovirus-Unterfamilien wie Coronaviridae und Tobaniviridae strukturell und funktionell zu charakterisieren, um detaillierte Einblicke in die Rolle zu gewinnen, die ExoN bei der viralen RNA-Replikationstreue spielt.
     
  6. Das Verständnis des Wirkmechanismus, der zur Assemblierung und Disassemblierung großer viraler Kapside führt, ist ein essentieller Schritt für die Produktion von neuen infektiösen Viruspartikeln sowie für die Freisetzung des viralen Genoms nach dem Viruseintritt. Unsere jüngsten Kristallstrukturen von herpesviralen Kapsidproteinen haben eine "Achillesferse" aufgedeckt, die für die Entwicklung dringend benötigter neuer antiviraler Therapien verwendet werden könnte.
     
  7. Wir entwickeln und optimieren Strategien zur Erfassung von seriellen Röntgendiffraktionsdaten an konventionellen modernen Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Lasern (FEL).

Im Allgemeinen untersuchen wir hauptsächlich Krankheitserreger, die ein globales Problem für die öffentliche Gesundheit und/oder die Veterinärmedizin darstellen und verwenden dazu strukturbiologische/biophysikalische Methoden mit einem besonderen Schwerpunkt auf Röntgenkristallographie. Das aus unseren Experimenten gewonnene Strukturverständnis kann für das strukturbasierte Design von präventiven oder kurativen Antiinfektiva genutzt werden, d.h. dieses Wissen hat ein direktes Potential für die translationale Medizin. Darüber hinaus werden Strukturstudien oft parallel an homologen Proteinen aus verwandten Pathogenen durchgeführt, was entscheidende Informationen über die evolutionäre Verwandtschaft zwischen ihnen liefert und die Identifizierung von konservierten Merkmalen und/oder Signalwegen ermöglicht, die oft die vielversprechendsten Angriffspunkte für Medikamente darstellen.