Laborjournal: Was erforschen Sie derzeit?
Martin Pilhofer: Meine Gruppe an der ETH Zürich untersucht kontraktile Injektionssysteme, über die Bakterien mit anderen Organismen interagieren. Mit diesen makromolekularen Waffen, die an den Schwanz von Bakteriophagen erinnern, können sie beispielsweise Effektor-Proteine in andere Bakterien oder eukaryontische Zellen injizieren. Damit töten sie andere Bakterienstämme oder Insektenlarven ab oder sie verteidigen sich gegen Makrophagen. Wir versuchen, Erkenntnisse aus unseren mikrobiologischen, biophysikalischen und strukturbiologischen Untersuchungen zu vereinen.
Sebastian Deindl: Meine Gruppe an der Universität Uppsala analysiert die Struktur und Funktion molekularer Maschinen, die die Genexpression regulieren. Wir untersuchen, wie sich die Struktur der Proteine und Proteinkomplexe dynamisch verändert, wenn sie ihre Funktion ausüben. Einer unserer Schwerpunkte sind Proteinmaschinen, die den Verpackungszustand des Chromatins verändern. Wir wollen verstehen, wie sie funktionieren und wie sie an- und abgeschaltet werden. Dazu kombinieren wir strukturelle und biochemische Daten sowie Daten aus Einzelmolekül-Untersuchungen.
Woran haben Sie vorher geforscht?
Pilhofer: Während meiner Doktorarbeit bei Karl-Heinz Schleifer an der TU München wurde mein Interesse für bakterielle Diversität und das bakterielle Zytoskelett geweckt. Als Postdoc am Caltech bei Grant Jensen in Pasadena, USA, habe ich entscheidend dazu beigetragen, die Struktur- und Funktionsweise des intrazellulären Typ 6-Sekretionssystems des Cholera-Erregers aufzuklären (Nature, 483(7388):182-6). Es ist ein kontraktiler Apparat, der sich im Zytoplasma der Zelle befindet und im Zell-Zell-Kontakt die Nachbarzelle ansticht, um toxische Proteine zu transferieren. Meine zweite Entdeckung am Caltech waren extrazelluläre kontraktile Injektionssysteme, die in Larven von Meeres-Röhrenwürmern die Metamorphose auslösen (Science, 343(6170):529-33).
Deindl: Als Doktorand bei John Kuriyan an der Universität von Kalifornien in Berkeley, USA, habe ich mithilfe von strukturellen und biochemischen Methoden die Regulation von Proteinkinasen analysiert, zum Beispiel von ZAP-70, einer am T-Zell-Rezeptor-Signalling beteiligten Tyrosinkinase (Cell, 129(4):735-46). Ich habe untersucht, welche Untereinheiten dafür verantwortlich sind, dass Proteinkinasen dorthin rekrutiert werden, wo sie gebraucht werden, und wie die Enzyme an- und abgeschaltet werden. Während meines Postdocs bei Xiaowei Zhuang an der Harvard University habe ich die Dynamik von Proteinkomplexen studiert. Mithilfe von Einzelmolekül-Fluoreszenz-Methoden konnte ich im Detail zeigen, wie ein Chromatin-umbauendes Molekül Nukleosomen auf der DNA verschiebt (Cell, 152(3):442-52). Diese Methode habe ich auch angewendet, um herauszufinden, wie derartige Enzyme reguliert werden.
Martin Pilhofer (links) und Sebastian Deindl haben mindestens zwei Sachen gemeinsam. Sie interessieren sich für Mikroskopie und gehören seit Kurzem zu den EMBO Young Investigators. Credits: M. Pilhofer und Manfred Deindl.
Wie hat sich Ihre Forschung an Ihrem gegenwärtigen Wirkungsort entwickelt?
Pilhofer: Mit meiner Gruppe in Zürich betreibe ich Methoden-Entwicklung für die Elektronen-Kryotomografie (Ultramicroscopy, 190:1-11). Mit dieser Methode lassen sich makromolekulare Komplexe in ihrer zellulären Umgebung in einem gefrorenen und hydratisierten Zustand dreidimensional darzustellen. Bisher war das allerdings nur für Objekte mit einer Größe bis zu 800 Nanometer möglich. E. coli-Bakterien mit einem Durchmesser von einem Mikrometer oder Bakterien-infizierte eukaryontische Zellen sind dafür zu dick. Mit einem fokussierten Ionenstrahl ist es uns gelungen, dünne Lamellen in die gefrorenen Proben zu schneiden, die wir dann mit dem Transmissions-Elektronenmikroskop untersuchen können. Darüber hinaus haben wir erstmals gezeigt, wie ein Typ 6-Sekretionssystem in der Zytoplasmamembran verankert ist (Science, 357(6352):713-7).
Sequenzanalysen meiner Gruppe haben zudem gezeigt, dass das Typ 6-Sekretionssystem häufiger vorkommt und vielfältiger ist als bisher angenommen. Wir wollen erforschen, welche Bakterien solche Systeme beherbergen, welche Rollen diese Systeme in verschiedenen ökologischen Umgebungen haben und wie sie für ihre unterschiedlichen Funktionen ausgerüstet sind. Mich interessiert auch, wie Typ 6-Sekretionssysteme in der Evolution überhaupt entstanden sind. Außerdem versuchen wir, das Fräsen von Lamellen mit dem fokussierten Ionenstrahl weiter zu verbessern.
Deindl: In Schweden habe ich unter anderem großzügige finanzielle Unterstützung von der Wallenberg Academy bekommen. Zusätzlich unterstützt durch einen ERC Starting Grant kann ich daher auch riskantere Fragestellungen angehen, die sich vielleicht nicht sofort in Publikationen umsetzen lassen. Das ermöglicht Kontinuität bei meinen Forschungsvorhaben. Wir entwickeln in meiner Arbeitsgruppe strukturelle sowie Einzelmolekül-Methoden weiter, um die energetische Landschaft von DNA-verpackenden Nukleosomen und Chromatin-umbauenden Maschinen untersuchen zu können. Wie wollen wissen, wie die unterschiedlichen Enzyme funktionieren und wie sie rekrutiert werden. Auf der strukturellen Ebene arbeiten wir auch mehr und mehr mit Kryo-Elektronenmikroskopie.
Welche Möglichkeiten eröffnet Ihnen der EMBO Young Investigator Award?
Pilhofer: Wir erhalten 15.000 Euro und werden durch ein erfahrenes Mitglied aus der Gemeinschaft der EMBO-Mitglieder unterstützt. Zudem können wir an Seminaren zu Führung und verantwortlicher Forschung teilnehmen. Von den Young Investigator-Treffen erhoffe ich mir interessante Impulse in einem wissenschaftlich breit gefächerten Umfeld. Auch zu den Doktoranden-Kursen möchte ich Mitarbeiter entsenden. Wir können Einrichtungen am EMBL in Heidelberg nutzen und erhalten Reisestipendien, um mit unserer Gruppe an Konferenzen teilzunehmen.
Deindl: Zusammen mit meiner Gruppe freuen wir uns auf den Austausch mit den vielen jungen, dynamischen Wissenschaftlern der EMBO-Gemeinschaft. Durch den Award wird das Profil des eigenen Labors hervorgehoben, sodass die Chancen steigen, als Sprecher zu einer Konferenz eingeladen zu werden. Ein großer Gewinn ist auch der Zugang zur hochkarätigen Infrastruktur am EMBL. Von der Massenspektrometrie-Facility dort haben wir bereits fachliche Unterstützung erhalten.
Welche Themen wollen Sie in der nahen Zukunft angehen?
Pilhofer: Wir interessieren uns in Zusammenarbeit mit Karl Forchhammer von der Universität Tübingen für die Kommunikation zwischen multizellulären Cyanobakterien. Dazu untersuchen wir die Struktur von Kanälen, die regulierbar sind und bei Stress auch verschlossen werden können.
Deindl: Wir können in meinem Labor nun Einzelmolekül-Fluoreszenzaufnahmen mit drei Farben durchführen. Damit können wir erstmals in Echtzeit beobachten, wie die Bewegungen der DNA am Ein- und Ausgang des Nukleosoms koordiniert werden. Das ermöglicht Rückschlüsse auf die grundlegenden Mechanismen des Chromatin-Umbaus. Wir hoffen, dass wir am Ende so etwas wie molekulare Filme drehen können.
Die Fragen stellte Bettina Dupont