Die starke Präsenz von deutschen Arbeitsgruppen auf internationalen Tagungen über Enzyme mit Metallzentren brachte Silke Leimkühler schon vor längerer Zeit auf die Idee, daraus einen Forschungsschwerpunkt zu entwickeln. Die Professorin für Molekulare Enzymologie sah die Zeit gekommen, bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) einen entsprechenden Forschungsantrag zu stellen.
Im Zentrum steht ein Themenkomplex, der die Forschungsarbeit aller beteiligten Wissenschaftler verbindet: Alle Enzymsysteme haben Eisen-Schwefel- Cluster. Offene Fragen gibt es im Zusammenhang mit dem Aufbau und der Funktionsweise spezieller metallhaltiger Enzyme, die in allen Lebewesen für wichtige Stoffwechselfunktionen zuständig sind. Ohne sie wäre kein Leben möglich.
Der Erfolg ließ nicht lange auf sich warten. Anfang 2016 wählte die DFG aus insgesamt 87 eingereichten Konzepten neue Schwerpunktprogramme aus. Darunter auch „Iron-Sulfur for Life“. Wie alle Schwerpunktprogramme der DFG zeichnet sich auch „Kein Leben ohne Eisen und Schwefel“ durch hohe Interdisziplinarität und den Einsatz innovativer Methoden aus. Ein besonderes Kennzeichen ist die überregionale Kooperation der teilnehmenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedenster Fachgebiete, darunter Chemiker, Biochemiker, Biologen, Mikrobiologen, Spektroskopiker. Beteiligt an dem neuen Schwerpunktcluster sind 27 Gruppen aus Universitäten, etwa in Freiburg, Marburg, Göttingen, Braunschweig, Kaiserslautern, Halle, Greifswald, Köln, Bayreuth, Potsdam, Leipzig, Berlin, und zwei Max-Planck-Instituten.
Eisen-Schwefel-Cluster sind lebensnotwendig für Pflanzen, Tiere und Menschen
Im Rahmen des neuen Projektes untersuchen die teilnehmenden Arbeitsgruppen den Einfluss von Eisen- Schwefel-Clustern auf Enzymaktivitäten auf zellulärer Ebene. Diese Cluster bestehen aus Eisen und Schwefel, die als Kofaktoren an Enzymreaktionen beteiligt sind. Experimentelle Vorarbeiten bestätigen, dass die Metallverbindung eine wichtige Voraussetzung für die Synthese und Funktion von Stoffwechselwegen in der Zelle ist. „Die Eisen-Schwefel-Cluster sind sehr früh in der Evolution entstanden und haben eine Schlüsselfunktion in der Atmung, Photosynthese und im Stoffwechsel von Stickstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen in der Zelle sowie in der Wasserstoffproduktion“, sagt Silke Leimkühler. Diese Enzyme sind lebensnotwendig für Pflanzen, Tiere und Menschen. In Zukunft könnten sie darüber hinaus eine entscheidende Rolle bei der Energiegewinnung spielen. Sie fixieren neben Stickstoff auch Wasserstoff, einen möglichen Energieträger der Zukunft. Die Forschung könnte zudem Erkenntnisse über eventuelle biotechnologische Anwendungen der Moleküle liefern. „Vorher müssen wir allerdings herausfinden, wie diese Enzyme aufgebaut sind, welche Rolle die Metalle dabei spielen und wie diese die Aktivität der Proteine beeinflussen“, erklärt Silke Leimkühler. Bei den Synthesewegen für Enzyme handelt es sich um sehr komplexe Systeme. „Wir versuchen, den gemeinsamen Nenner zu finden, wobei ein Ziel darin besteht, die Gemeinsamkeiten für die Biosynthese von komplexen metallhaltigen Kofaktoren aufzuklären“, sagt die Biologin. Fernziel der Forscher ist es, auf zellulärer Ebene zu verstehen, wie Biosynthesewege einander beeinflussen.
Im Forschungsalltag dominiert die Laborarbeit mit unterschiedlichen Methoden, darunter Spezialgebiete wie Proteinreinigung und -kristallisation. „Was wir untersuchen wollen, betrifft die gesamte Zelle, nämlich, wie sich Veränderungen in einem Stoffwechselweg auf einen anderen auswirken.“ Dafür ist das Verständnis des Systems, der Biosystemwege, von essenzieller Bedeutung. Die Forscher verwenden hierfür spezielle Methoden, um die Vorgänge zu visualisieren. Interaktionen in der Zelle können beispielsweise durch Fluoreszenzmarkierungen sichtbar gemacht werden. Auch Spektroskopien in der Zelle sind inzwischen möglich. Andere Gruppen arbeiten vorwiegend theoretisch, vor allem am Computer.
Obwohl das Projekt Grundlagenforschung darstellt, sind immer wieder auch Anwendungsaspekte erkennbar. So bei jenen Teilprojekten, die zu ergründen helfen, wie Krankheiten entstehen, beispielsweise solche, die auf Eisenmangel oder Eisenüberschuss beruhen. Da verschiedene Biosynthesewege zusammenspielen, kann beispielsweise Eisen nicht isoliert betrachtet werden. Deshalb beziehen die Forscher auch Molybdän, ein sogenanntes Übergangsmetall, das ebenfalls essenziell für den Menschen ist, in ihre Untersuchungen mit ein.
Silke Leimkühler ist die Koordinatorin des Clusters und damit verantwortlich dafür, das Projekt am Laufen zu halten. Kein Job für nebenbei: In Kooperation mit den anderen Projektteilnehmern kommuniziert sie mit der DFG, organisiert Meetings, sorgt dafür, dass Fortsetzungsanträge geschrieben und Ideen weiterentwickelt werden. Zwei Mal im Jahr treffen sich alle beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu Meetings, um ihre Ergebnisse zu präsentieren und zu diskutieren. Außerdem gibt es eine internationale Sommerschule. Persönlich ist ihr die Nachwuchsförderung ein sehr wichtiges Anliegen. Sie will bei jungen Leuten Interesse für ihr Thema wecken und sie möglichst noch während der Laufzeit in das Projekt integrieren.
Die Wissenschaftlerin
Prof. Dr. Silke Leimkühler studierte Biologie an der Universität Bielefeld. Seit 2009 ist sie Professorin für Molekulare Enzymologie an der Universität Potsdam.
Universität Potsdam
Institut für Biochemie und Biologie
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
sleimuuni-potsdampde
Das Projekt
Schwerpunktprogramm 1927: Iron-Sulfur for Life
Leitung: Prof. Dr. Silke Leimkühler,
Institut für Biochemie und Biologie
Laufzeit: seit 2016
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Text: Dr. Barbara Eckardt
Online gestellt: Daniela Großmann
Kontakt zur Onlineredaktion: onlineredaktionuun-potsdampde