Physik-Department: Blick in die Zelle

Für 40 Millionen Euro entsteht in Garching ein neues Protein-Forschungszentrum, an dem Wissenschaftler verschiedener Disziplinen arbeiten. Sie wollen dort die Grundlagen schaffen, um neue Methoden im Kampf gegen Bakterien und neue Therapien zu entwickeln

Es klingt nach einem Kampf um Leben und Tod, um Gut und Böse. Auf der einen Seite stehen die Bakterien, die gegen Antibiotika resistent sind, auf der anderen Seite die Forscher, die nach neuen Wegen suchen, gefährliche Keime wie Staphylococcus aureus, die Ursache für zahlreiche Todesfälle sind, auszuschalten. Dabei hat ein Team rund um den Chemiker Stephan Sieber an der Technischen Universität München (TUM) einen innovativen Ansatz: "Wir trachten den Bakterien nicht nach dem Leben, wir versuchen sie zu entwaffnen." Die Forscher wollen die Giftfabrik im Bakterium mit Hilfe synthetischer Proteine ausschalten, damit sie nicht die für den Menschen so gefährlichen Toxine produzieren können. Doch dafür müssen sie exakt wissen, wie die Proteine im Bakterium funktionieren.

Und da kommt das geplante Protein-Forschungszentrum (TUM Center for Functional Protein Assemblies, CPA) in Garching ins Spiel. Sieber hat es zusammen mit Andreas Bausch, Lehrstuhlinhaber für Zellbiophysik, auf den Weg gebracht. 40 Millionen Euro haben Bund und Länder genehmigt, 2019, so hoffen die Forscher, könnte es fertig sein. Angesiedelt am Garchinger Campus, ein Katzensprung von den Gebäuden des Physik-Departments und der Chemie entfernt. Der Physik-Professor und sein Kollege von der Chemie wollen mit dem eigenständig verwalteten Protein-Forschungszentrum alte Grenzen aufsprengen. "In Deutschland sind die Fakultätsgrenzen noch sehr starr", sagt Bausch, der zurzeit in den USA weilt, wo er ein Jahr lang in Berkeley forscht. An der TU werde zwar schon jetzt fakultätsübergreifend gearbeitet, sagt er, aber noch nicht so effizient, wie Bausch es gerne hätte.

Bei den Proteinen, die an allen wesentlichen Prozessen in der menschlichen Zelle beteiligt sind, gehe es um komplexe Systeme. "Es sind so viele Proteine unterwegs, von denen man nicht weiß, was sie eigentlich tun." Jeder Forscher gehe mit anderen Methoden an die Untersuchung heran. Das gelte es zu bündeln. "Jeder braucht den anderen. Es ist so viel Expertise nötig, dazu braucht man Kollegen aus anderen Disziplinen." Wie Sieber betont auch Bausch, dass in dem neuen Haus eine Kultur gefördert werden soll, bei der sich die Wissenschaftler ständig über den Weg laufen. "Ganz spontan", wie Sieber sagt. Er berichtet, bereits die gemeinsame Ausarbeitung des Antrags für das Forschungszentrum habe ihm etwas gebracht. "Ich weiß jetzt schon viel mehr über die Methoden der Physiker Bescheid als vorher. Und es gibt jetzt schon mehr Zusammenarbeit, es entsteht eine Eigendynamik."

In dem geplanten Forschungszentrum sollen sieben Lehrstühle angesiedelt werden, außerdem bekommen fünf Nachwuchsgruppen mit jungen Professoren auf Zeit eine Chance, hier mitzuarbeiten. Es werden Physiker, Chemiker und Bio-Ingenieure ihr Wissen austauschen und an Projekten arbeiten, teils in gemeinsamen Räumen, teils getrennt. Physiker beispielsweise bräuchten Räume, die schwingungsarm seien oder die Temperatur halten könnten, Chemiker bräuchten vor allem Arbeitsflächen, auf denen chemische Reaktionen ablaufen könnten. Gemeinsam könnten sie, außer Kaffee- und Seminarräumen, Kulturräume nutzen, in denen Bakterien zur gezielten Proteinzucht gehalten werden.

Inhaltlich werden alle an einem Strang ziehen. Sieber nennt drei Säulen der künftigen Forschung. Es geht um die Struktur und molekulare Mechanismen bei Proteinen, also die genaue Kenntnis darüber, wie Proteine interagieren. Als zweite Säule nennt er synthetische biomolekulare Systeme, dazu manipulieren Forscher die Proteine und untersuchen die Folgen. Und drittens geht es um biomedizinische Anwendungen. Das Zentrum wird Grundlagenforschung betreiben und schafft damit die Voraussetzung, Methoden zu entwickeln, um Krankheiten zu behandeln oder sie zu verhindern. Würde Sieber beispielsweise den Wirkstoff finden, der effizient die Bakterien von bösen zu guten macht, könnten auch Prothesen oder Katheter antibakteriell beschichtet werden, um Entzündungen zu vermeiden. Oder gelingt es dem Biopyhsiker Matthias Rief, die Faltung der Proteine aufzuschlüsseln, könnte das helfen, die Entstehung von Krankheiten wie Parkinson oder Alzheimer besser zu verstehen und Mittel dagegen zu finden.

Riefs optische Laserfalle ist im Keller des Physik-Departments untergebracht. Über der Tür leuchtet ein Licht, wenn seine Studenten gerade einen Versuch machen, hinter einer der Türen ist Musik zu hören, ein junger Mann hat gerade mit Messungen begonnen. Die Apparatur sieht kompliziert aus, ein Gewirr von Kabeln, Linsen, Elektromotoren und Spiegeln. Um der Proteinfaltung auf die Spur zu kommen, werden Laserstrahlen eingesetzt. Sie fangen zwei winzige Glaskugeln mit dem Durchmesser von einem Tausendstel Millimeter ein. Deren Oberflächen sind funktionalisiert mit Antikörpern, an die ein DNA-Strang andockt. Das alles zeigt der Professor lieber am Computerbildschirm, da ist mehr zu sehen. Die Kugeln werden auseinandergezogen, der Strang dehnt sich, das Protein in der Mitte entfaltet sich. Den Physikern geht es darum, zu erfahren, welche Kräfte nötig sind, um das Protein zu entfalten, welche Kräfte es überhaupt zusammenhalten. Dann rücken die Kugeln näher zusammen, das Protein faltet sich wieder (wie die Falle funktioniert, zeigt ein Video im Internet unter vimeo.com/135464597).

Die Faltung der Proteine wird einer der Schwerpunkte im neuen Zentrum sein, "und die Physik liefert dazu die Methoden, die Funktionsweise der Proteine zu verstehen", sagt Rief. Die Forscher erhoffen sich, mit ihren neuen Methoden biomedizinisch relevante Systeme und Fragestellungen beantworten zu können. Neue Denk- und Forschungsansätze sind dazu nötig, wie sie etwa an amerikanischen Universitäten wie Harvard und Stanford schon existieren. Jetzt zieht Deutschland nach mit einem einzigartigen Projekt, was den "weltweit guten Ruf" der Proteinforscher sicherlich noch verstärken werde, sagt Bausch. Zusammen mit Sieber wird er an der Spitze des Instituts stehen. Physiker und Chemiker brechen auf zu neuen Ufern, indem sie neue Strukturen schaffen.