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Forschung

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Supramolekulare Chemie

In den letzten Jahren hat sich die Elektronenmikroskopie zu einem der mächtigsten Werkzeuge entwickelt, wenn es um die direkte Beobachtung der strukturellen Organisation von molekularen Assemblagen in der Größenordnung von Nanometern und weniger geht. Die Entwicklung der Kryo-Techniken, insbesondere der kryogenen TEM, brachte einen Quantensprung, indem sie erlauben, Ultrastrukturen von sich selbstorganisierrenden organischen Verbindungen unter nativen Bedingungen, d.h. in Anwesenheit des Lösungsmittels, indem diese Selbstorganisation stattfindet, zu untersuchen. Das ist besonders deshalb wichtig, weil sich das strukturelle Ordnungsprinzip der Moleküle in supramolekularen Aggregaten sehr häufig signifikant von der Organisation im Kristallgefüge unterscheidet. Daher sind Techniken, die auf der Beugung von Röntgenstrahlung basieren, wie sie z.B. in der Kristallstrukturanalyse von Proteinen unumgänglich waren, im Bereich der supramolekularen Chemie eher ungeeignet.
Die Bedeutung der TEM hat durch die jüngsten instrumentellen Fortschritte und die Beschleunigung der Datenverarbeitung, speziell bei tomographischen Techniken und in der Bildverarbeitung, nochmals deutlich zugenommen, da nun auch detailierte dreidimensionale Informationen über die Aggregate gewonnen werden können.

Research Center of Electron Microscopy

Strukturbiologie

Die wirksame Funktion von biologischen Makromolekülen wie Peptiden und Proteinen wird nicht nur von ihrem molekularen Aufbau, d.h. der Aminosäuresequenz bestimmt, sondern hängt in besonderem Maße von ihrer dreidimensionalen Anordnung ab (Tertiär- bzw. Quartärstruktur). Ihre Funktionalität gewinnen Proteine aus geringen Veränderungen ihrer Gesamtgestalt, wie sie durch Bewegungen, Verdrehungen oder Faltungen der Peptideinheiten zueinander hervorgerufen werden. Diese Beweglichkeit macht sie häufig zu schwierigen Untersuchungsobjekten für die Kristallstrukturanalyse.
Die dreidimensionale Rekonstruktion aus Tausenden bis hin zu Millionen von Einzelpartikelbildern des untersuchten Proteins im eingefrorenen, hydratisierten Zustand mittels kryogener Transmissionselektronenmikroskopie (kryo-TEM) umgeht die methodischen Beschränkungen des kristallographischen Ansatzes. Sie erlaubt neben der Analyse unterschiedlicher Konformationen auch die Identifizierung von strukturellen Übergangsformen, die bei den Konformationsumwandlungen durchlaufen werden, und hilft so die mechanistischen Vorgänge zur erforschen. Durch das hohe Maß an Automatisierung moderner Elektronenmikroskope sind wir heute in der Lage, die benötigte Menge an Einzelbildern in bislang unvorstellbar kurzer Zeit von wenigen Stunden bis Tagen zu akquirieren. Auf diese Weise können mit der sogenannten Einzelpartikelanalyse (single particle analysis, SPA) im besten Fall atomare Auflösungen bis hinunter zu 1,1 Å erreicht werden.

Unsere Forschungsprojekte (eng)

Recently, a breakthrough in developing artificial Light Harvesting Complexes (LHCs) has been achieved through combining the self-organization tendency of surfactants with the unique property of J-aggregating organic dyes having coherent exciton migration similar to the natural LHCs. Depending on the chemical structure, the presence of additives or the conditions of sample preparation the amphiphilic dye aggregates show different packing motifs. Correlating the optical properties of the ...

Special amphiphilic calixarene and fullerene derivatives with Newkome-type dendrimeric headgroups or amphiphilic non-ionic polyglycerol derivatives possess a unique capacity to form structurally persistent micellar assemblies. In cooperation with the groups of Prof. A. Hirsch (Institute of Organic Chemistry at the Universität Erlangen-Nürnberg) and the group of Prof. R. Haag (Institute of Chemistry and Biochemistry at the Freie Universität Berlin) we study the molecular factors which ...

The formation of insoluble amyloid deposits by protein fibrillogenesis is a common hallmark of many neurodegenerative diseases such as Alzheimer's or Parkinson's disease. In cooperation with Prof. B. Koksch (Institute of Chemistry and Biochemistry at the Freie Universität Berlin) simple peptide systems are structurally characterized which are designed to model the conformational transition that is responsible for the formation of amyloids. Cooperation with Prof. B. Koksch (FU Berlin) ...

Self-assembly of synthetic amphiphilic polymers in water leads to a fascinating wealth of structures, many of which show analogies and similarities to the structures found in cells and cell organelles. Inspired by their biological "prototypes" strategies for preparing multicompartment micelles by using ternary block copolymers have been explored by the group of Prof. A. Laschewsky (Institute of Chemistry at the Universität Potsdam). Cryo-TEM and cryo-tomography allows for the direct ...

In cooperation with Prof. S. Sharma (Department of Chemistry at the University of Delhi, India) and Prof. R. Haag (FU Berlin) we pursue the linear attachment of structure enforcing dendrons to a polymeric backbone, which strongly influence the backfolding of the polymeric chain. The steric situation affect the overall structure in a way that is different from monomeric dendritic amphiphiles. In the project the size of the dendrons, the degree of branching and the additional influence of alkyl ...

In cooperation with Prof. Andreas Hermann (Humboldt Universität zu Berlin) we study the inhibition of influenza A virus fusion with target membranes by multivalent binding of highly functionalised nanoparticles to the fusion mediating virus protein hemagglutinin. Such particles should provide the basis for studies on multivalent amplification of inhibitory effects. For this purpose, gold nanoparticles covered with differently structured ligands are developed in the group of Prof. Rainer Haag ...