PCGG

Projektbereich D

Im Mittelpunkt der Forschung der Projekte im Teilbereich D stehen Untersuchungen zur Wechselwirkung von Biomolekülen untereinander und mit dem Lösungsmittel sowie zu ihrer Struktur.

Nicht kovalent gebundene Komplexe biologisch relevanter Makromoleküle in Lösung und in der Gasphase haben sich in den letzten 10 Jahren zu einem intensiven interdisziplinären Forschungsgebiet entwickelt. Die rasante Entwicklung des Gebietes ist zum größten Teil auf neue und leistungsfähige Entwicklungen im Bereich der instrumentellen Analytik (Massenspektrometrie, NMR, Röntgenstrukturanalysen, etc.) sowie auf effiziente (bio) chemische Synthesemethoden zurückzuführen.

Ganz allgemein hängt die Funktion eines Biopolymers erheblich von seiner nicht-kovalenten Wechselwirkung (Bindung) mit anderen Molekülen in wäßrigen Systemen ab. Spezifische molekulare Wechselwirkungen führen dazu, daß molekulare Komplexe mit spezifischer Konformation und biologischer Aktivität entstehen. Dabei spielen Komplexe mit sehr spezifischen nicht-kovalenten Bindungen eine entscheidende Rolle für die molekulare Erkennung in vielen wichtigen Bereichen der Biochemie und Pharmakologie. Das Lösungsmittel (Wasser) kann dabei ebenfalls eine besondere (kooperative) Rolle für die biologisch aktive Konformation von Biomolekülen oder "künstlichen" Makromolekülen in Lösung spielen.

Da die zu untersuchenden Moleküle und Molekülaggregate oft nicht kommerziell erhältlich sind, müssen sie mit Hilfe aufwendiger Synthesemethoden aufgebaut werden. Die Entwicklung von effizienten bio (chemischen) Synthesemethoden ist deshalb ebenfalls Gegenstand intensiver Forschung, vor allem in den präparativ arbeitenden Arbeitsgruppen.

Die Struktur und Konformation von Biomolekülkomplexen lassen sich mit einem breiten Arsenal von Techniken untersuchen. Dabei nehmen die NMR-Spektroskopie und die hochauflösende Massenspektrometrie mit neuen sanften Technologien zur schonenden Desorption und Analyse von Biomolekulen und –komplexen eine Schlüsselstellung ein.

Die Untersuchung und Synthese von spezifischen, nicht kovalent gebundenen Komplexen hat mehrere interessante Aspekte. Einerseits ist die Entwicklung von Techniken mit hohem analytischen Potential von besonderem Reiz für die angewandte Medizin und Pharmakologie. Andererseits ist die (Bio)Synthese von neuen Substanzen, die als potentielle Wirkstoffe interessant sein könnten, von großem medizinischen und wirtschaftlichen Interesse. Dabei erlauben leistungsfähige Techniken der instrumentellen Analytik ein "screening" von Substanzen, die aus einer Leitstruktur durch kombinatorische Synthesetechniken hervorgegangen sind. Schließlich hängt das Potential solcher Strategien in der Zukunft in entscheidendem Maße vom Verständnis der molekularen Wechselwirkungen ab. Dies wird nur durch die Einbindung von Methoden der Theoretischen Chemie und Physik möglich sein, und es ist zu erwarten, daß viele experimentelle Projekte von theoretischen Arbeiten begleitet werden.

Die Arbeit im Projektbereich D zeichnet sich durch eine stark interdisziplinär ausgerichtete Strategie zur Untersuchung von Biomolekülen und Ihren Aggregaten in Lösung und in der Gasphase aus.

Am Teilbereich D sind derzeit sechs Arbeitsgruppen (Abel, Buck, Diederichsen, Griesinger Tietze, Zeeck) aus den Max-Planck Instituten und den Instituten der Universität beteiligt, die eine Reihe von sehr interessanten gruppenübergreifenden Dissertationsthemen anbieten.

Project area D

Research in the project area D focuses on investigations of interactions of biomolecules, their non covalent bound complexes, as well as their structures.

The investigation of non covalently bound complexes has advanced to a rapidly expanding interdisciplinary research field. This trend has been fueled by new and powerful developments in instrumental analytics (mass spectrometry, NMR, X-ray crystallography, etc.), as well as efficient (bio)chemical strategies and techniques for synthesis of biopolymers.

The function of a biomolecule usually depends on its specific, non-covalent interactions with another molecule. For example, proteins interact with other proteins, peptides, small molecules, metal ions, lipids, polysaccarides, nucleic acids and oligonucleotides and these interactions drive critically important biological processes. The solvent water may also play a decisive role for the conformation and the function of biopolymers.

The systems under investigation are often not commercially available such that efficient strategies and techniques for the synthesis of biopolymers have to be applied or developed within the framework of the graduate school.

Several well established analytical techniques are used to study biomolecular interactions including circular dichroism, fluorescence, infrared and ultraviolet spectroscopy, nuclear magnetic resonance, mass spectrometry, and X-ray crystallography. Within the graduate school NMR, chromatography, UV- and CD-spectroscopy, and mass spectrometry are the key technologies for the investigation of macromolecular systems of biological relevance.

The investigation and synthesis of specific non covalently bound complexes has several interesting aspects. First, the development of powerful analytical techniques is of interest to applied medicine and pharmacology for the development and optimization (screening) of drugs. Also the synthesis of new compounds having the potential of becoming new drugs with unknown features is very attractive and fuels the activities of both fundamental as well as applied research. The interplay of groups that synthesize systems and groups that analyze them is of crucial importance because powerful analytical techniques can screen families of biomolecules derived from one main structure via powerful combinatorial techniques and help to find potential candidates for new and improved drugs.

Finally, the potential of the approach in the future will depend critically upon the understanding of specific interactions of biomolecules on a molecular level, which may be achieved employing powerful methods and approaches from theoretical chemistry and physics (e.g. MD calculations, molecular modeling).

In the Project area D (Biomolecules and their aggregates) we strongly favor interdisciplinary work and complementary approaches for the synthesis and the investigation and analysis of biomolecular systems.

In project area D currently six groups from the Max-Planck and University institutes (Abel, Buck, Diederichsen, Griesinger, Tietze, Zeeck) participate which offer a large number of interesting and interdisciplinary PhD-projects.