Tanzende Proteine verstehen

Freigeist-Fellow Dr. Elmar Behrmann erforscht die strukturelle Dynamik von Proteinen. Mithilfe von speziellen Videoaufnahmen will er die Bewegung der Moleküle zeigen.
Freigeist-Fellow Dr. Elmar Behrmann erforscht die strukturelle Dynamik von Proteinen. (Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung)
Freigeist-Fellow Dr. Elmar Behrmann erforscht die strukturelle Dynamik von Proteinen. (Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung)
Proteine sind wichtige Bestandteile unserer Zellen und steuern die biochemischen Prozesse im Körper. Sie sind daher notwendig, damit Medikamente im Körper wirksam sind. Wie sich Proteine bei der chemischen Interaktion mit den Wirkstoffen verhalten, ist jedoch nicht geklärt. Denn sie sind selten statisch: Tatsächlich können die Makromoleküle ihre Form verändern. Dr. Elmar Behrmann untersucht die Bewegung von Proteinen, um daraus abzuleiten, wie sie sich gezielter als bisher beeinflussen lassen. Im November trat der Biochemiker ein Freigeist-Fellowship der VolkswagenStiftung am Center of Advanced European Studies and Research (caesar) in Bonn an. Sein Projekttitel lautet "Novel Nanotemplates for Combined Structural and Functional Analysis of Membrane Proteins". Die Freigeist-Fellowships wurden erstmalig im Jahr 2014 überreicht. Herr Behrmann, Sie waren unter den ersten Preisträgern. Nun leiten Sie im Alter von 31 Jahren bereits eine eigene Forschungsgruppe, das Behrmann Lab. Begegnet man Ihnen mit Erstaunen?
Ja, oft sind viele überrascht, wenn sie mir begegnen. Letzte Woche meinte ein Komitee zu mir "Wow, you are young". Ich merke auch, dass einige Wissenschaftler dann erstmal skeptisch sind und sich fragen: Kann der überhaupt etwas? Im Gespräch kann ich aber anscheinend immer deutlich machen, dass ich durchaus weiß, was ich mache, und so andere von meinem Projekt überzeugen.
In gewisser Hinsicht ist mein Alter aber auch in der Zusammenarbeit mit Doktoranden vorteilhaft: Meine eigene Doktorarbeit liegt nicht so weit zurück, sodass ich viele Probleme aus dem Labor selbst noch bestens kenne. Da funktioniert die Kommunikation auf Augenhöhe besser.

Dennoch müssen Sie als Projektleiter auch Personalführung übernehmen. Wie klappt das?
Dank des Rahmenprogramms der VolkswagenStiftung läuft dieser Aspekt sehr gut an. Zum Beispiel nehme ich an der angebotenen Weiterbildung "Professionals in Science" teil. Dort setzen wir uns mit Themen wie Arbeitsrecht und Mitarbeiterkommunikation auseinander – Dinge, die man als Postdoc selten gezeigt bekommt. Darüber hinaus sind diese Treffen eine perfekte Möglichkeit zum Austausch mit anderen Gruppenleitern, sowohl "frischen" als auch erfahreneren.  
Wie gehen Sie vor, um ein Video eines sich bewegenden Proteins aufzunehmen?
Und das zu ermöglichen, möchte ich zwischen zwei recht etablierten Methoden vermitteln: Der erste Ansatz besteht dabei in der strukturbiologischen Herangehensweise, die allerdings nur statische, aber dafür sehr detaillierte Bilder vom Protein in einem Ist-Zustand liefert. Der zweite Ansatz verfolgt hingegen die Idee, zu schauen, wie die Bewegung der Proteine aussieht. Das wird derzeit meist durch zeitaufgelöste spektroskopische Methoden gemacht. Deren Problem liegt allerdings darin, dass man nur sehen kann, wie sich einzelne Punkte, meist nur zwei oder maximal drei, relativ zu einander bewegen. Das ganze Drumherum kann ich dabei nur selten erkennen.
Deshalb möchte ich gerne mithilfe einer Bilderserie ähnlich eines Stop-Animations-Films – denken Sie an Wallace und Gromit – die Struktur mit der Dynamik kombinieren. Das wird mit Sicherheit in beiden Bereichen erst einmal Qualität kosten: Die Bilder werden nicht so detailliert sein wie die rein statischen; die Darstellung der Geschwindigkeit wird nicht so gut sein wie die Nur-Geschwindigkeitsmessung. Aber dennoch wäre es großartig, wenn wir wirklich beides gleichzeitig darstellen können und so die Bewegung in ihrer vollen Komplexität wahrnehmen.

Das scheint ein umfangreiches Projekt für ein Fellowship von fünf Jahren zu sein…
Ja, ich erwarte nicht, dass wir in fünf Jahren an dem Punkt angekommen sein werden, an dem es trivial wäre, hochaufgelöste Videos von Proteinen aufzunehmen. Aber die Messchips, die wir dafür entwickeln, könnten auch ganz andere Aufgaben übernehmen: Aufgrund ihrer Größe, oder eher ihrer "Kleinheit", wären sie bestens dafür geeignet, unter die Haut injiziert zu werden und dort Proteinaktivitäten zu messen. Das wär natürlich ideal, um Medikamente zu dosieren oder allgemein auf gesundheitliche Probleme hinzuweisen.

Auf Ihrem Foto, zeigen Sie uns da auf der Pinzette so einen Chip?
Nicht ganz. Das, was ich da halte, sind unsere derzeitigen Probenträger, ein kleines, nicht funktionelles Kupfernetzchen mit ungefähr 400 Stegen pro Millimeter. Diese sind als solche für das Auge nicht mehr erkennbar.
Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung
Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung
Zu klein für den normalen Fotoapparat…
Das stimmt. Und dann kommen wir mit unseren Mikroskopen, die genau in die andere Raumdimension gehen. Unser Mikroskop hat eine Raumhöhe von zwei Metern. Platz, der für ein komplexes elektro-magnetisches Linsensystem benötigt wird. Zudem muss in unseren Mikroskopen ein Hochvakuum herrschen. Welche Rolle spielt dieses Mikroskop bei Ihrer Videoaufnahme?
Nur damit haben wir eine ausreichende Auflösung, um einzelne Proteine sichtbar zu machen. Mit den derzeit verfügbaren Methoden müssen wir die jedoch Proteine einfrieren, um sie ansehen zu können. Anders würden sie das Vakuum im Mikroskop nicht überleben. Allerdings bewegt sich dann nichts mehr. Mit einem neuartigen Halter, dem Poseidon510, können wir dieses Problem jedoch aus dem Weg räumen, denn er ermöglicht es uns, flüssige Proben mithilfe zweier hauchdünner, aber extrem stabiler Siliziumnitridflächen vor dem Vakuum zu schützen.
Aber es gibt es noch weitere Probleme. Zum Beispiel der Kontrast und der Strahlenschaden bei der Bildgebung. Da kommt ein spezieller Proteinsensor ins Spiel den wir entwickeln: Da jedes Bild unsere Probe verbrennt, muss ich für das zweite Frame, und jedes folgende, einen anderen Bereich belichten. Gleichzeitig muss ich aber sicherstellen, dass sich auch das Protein gerade in "Frame 2" befindet. Ich benötige also einen parallelen Read-out, der ohne Bilder aufzunehmen, und somit die Probe zu verbrennen, mir genau sagen kann, welche Bewegung das Protein gerade macht. Nur so kann ich mit meiner Kamera zu einer anderen Stelle gehen und dann zum richtigen Zeitpunkt ein weiteres Foto machen. Wenn ich dann diese Bilder aneinander reihen würde, hätte ich mein Video. Also sind Sie noch ganz am Anfang, den Tanzstil der Proteine darzustellen.
Ja, wir legen wirklich gerade erst los. Zurzeit richten wir das Nass-Labor ein, in dem wir mit den Proteinen arbeiten werden. Dann müssen wir den Chip weiterentwickeln. Wir müssen auch unseren Protein-Sensor von Grund auf entwickeln. Und erst dann kommt der Halter ins Spiel, in welchem wir alles kombinieren, um uns die Proteine in Bewegung anzuschauen. Vom perfekten Video sind wir also vermutlich noch Jahre entfernt. Die fünf Jahre, in denen ich von der VolkswagenStiftung finanziert werde, werden wir wirklich brauchen.
Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung
Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung
Gibt es auch Unterstützung seitens Ihrer neuen Forschungseinrichtung, dem caesar in Bonn?
Ja, sowohl durch die bereitgestellten, hochspezialisierten Instrumente als auch personell. Es gibt hier eine sehr aktive "Elektronenmikroskopie und Analytik"-Gruppe um Stephan Irsen, die uns bei der Bedienung der Geräte unterstützt und diese in Schuss hält. Nicht trivial für solche komplexen Instrumente. Hier wird auch eine aktive Methodenentwicklung vorangetrieben, an die ich inhaltlich perfekt andocken kann.

Wie wichtig ist die ideelle Unterstützung durch die VolkswagenStiftung?
Die ist wunderbar. Ich stehe in engem Kontakt zu den Mitarbeitern und – durch die Jahrestreffen – auch zu weiteren Geförderten. Ein super Netzwerk, bei dem ich als junger Forscher von anderen, die ein paar Jahre mehr Erfahrung aufweisen, Input holen kann. Zum Beispiel, wo es für mich hingehen könnte oder wo anfangs Stolperfallen warten könnten.
 
Apropos Stolpern: Sie betreiben in Ihrer Freizeit Kampfsportarten. Können Sie dort den Wissenschaftler abschalten?
Das stimmt. Als Letztes habe ich Modern Arnis für mich entdeckt, einen philippinischen Stockkampf. Der Vorteil beim Kampfsport ist: Wenn Du mit den Gedanken woanders bist, haust Du Dir sofort auf die Finger. Du erhältst also sofort eine Rückmeldung, wenn der Kopf nicht wirklich frei ist. Direct Response sozusagen. Also perfekt, um abzuschalten. Andererseits: Es ist auch interessant, zu erfahren, wie man sich effizient bewegt. So ganz werde ich den Wissenschaftler dabei offensichtlich doch nicht los. Haben Sie vielen Dank für das Interview, Herr Behrmann. Wir wünschen Ihnen gutes Gelingen! Das Interview führte Andrea Oechtering     

Hintergrund: Freigeist-Fellowships

Die fachoffenen Freigeist-Fellowships der VolkswagenStiftung richten sich an außergewöhnliche Forscherpersönlichkeiten mit bis zu fünfjähriger Forschungserfahrung nach der Promotion, die sich zwischen etablierten Forschungsfeldern bewegen und risikobehaftete Wissenschaft betreiben möchten.  Der nächste Stichtag ist der 15. Oktober 2015. Weitere Informationen unter "Freigeist-Fellowships".