Institut für Molekulare Biowissenschaften

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Forschung

Derzeit elf Arbeitsgruppen erforschen am Institut die verschiedensten molekularen Aspekte des Lebens.

Im Fokus stehen dabei vor allem Mikroorganismen und Pflanzen. Membranbiologie ist traditionell eine der Stärken des Instituts. Im Zentrum stehen Analysen der Struktur und Funktion membranständiger Proteine, deren Regulation und Anbindung an intrazelluläre Signalkaskaden. Im Rahmen der Biotechnologie wird an der Entwicklung mikrobieller Zellfabriken durch klassische oder rekombinante Verfahren zur Überproduktion von verschiedensten Chemikalien und Enzymen gearbeitet. Ein neuer Aspekt ist die Identifizierung und Charakterisierung neuer Metabolite im Sekundärstoffwechsel insektenpathogener Mikroben und deren Anwendung. Es werden Stoffwechselwege gezielt verändert, um zum Beispiel mit Hefen Biokraftstoffe zu produzieren oder Therapieansätze für die Verbesserung der zellulären Abwehr zu entwickeln.

In der Mikrobiellen Physiologie liegt der Schwerpunkt auf der Stoffwechselphysiologie, ihrer Regulation und den genetischen Grundlagen in Archäen, Bakterien und Eukaryoten. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für Analysen der Membranbiologie und der Biotechnologie, so dass eine enge Vernetzung im Fachbereich und darüber hinaus besteht. Schwerpunkte der Forschungsrichtung Molekulare Pflanzenphysiologie sind der Energiestoffwechsel in photosynthetischen Organismen und die diesem Stoffwechsel zugrunde liegenden Interaktionen der Organellen. Dabei stehen physiologische, strukturell biochemische und genetische Untersuchungen im Vordergrund.

Im Forschungsschwerpunkt Degenerative Prozesse und molekularer Stress liegt der Fokus auf der Untersuchung der molekularen Mechanismen des Alterns und insbesondere der Rolle der Mitochondrien in diesem Prozess, sowie auf der Analyse der zellulären Antwort auf Hitze- und Photostress. Die am Schwerpunkt Schutzfunktion von Carotinoiden beteiligten Gruppen bearbeiten den molekularen Mechanismus der Carotinoid- Wirkung bei Starklicht sowie der Protektion gegen reaktive Sauerstoffspezies und Membranschädigungen, die von externen Faktoren hervorgerufen werden. Bei den regulatorischen RNAs geht es um die strukturelle und funktionale Analyse von regulatorischen nicht-kodierenden RNAs, deren Interaktion mit Proteinen sowie ihre biologische Funktion und zelluläre Regulation.

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Lehre

In der Lehre ist das Institut beteiligt an den Bachelorstudiengängen Biowissenschaften, Biophysik und Bioinformatik sowie an den Lehramtsstudiengängen des Fachbereichs Biowissenschaften und der Biologieausbildung der Mediziner. Darüber hinaus bietet es die zwei Masterstudiengänge Molekulare Biowissenschaften und Molekulare Biotechnologie an und ist an anderen kooperativen Masterstudiengängen beteiligt.

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Kolloquium

Sommersemester 2020

Die Vorträge finden jeweils um 17:15 Uhr statt. The talks starts at 17:15.

Ort: Biozentrum auf dem Campus Riedberg, Raum 260/3.13

Where:  Campus Rieberg, Biocenter, Section of the Building 260 Room 3.13


Thursday, 12.03.2020 - Dr. Jan Schuller - MPI für Biochemie, Martinsried

Modular Evolution and Functional Adaption of the Photosynthetic Complex I

The cyanobacterial carbon concentration mechanism takes advantage of the functional and structural diversity of the cyanobacterial photosynthetic NADH dehydrogenase-like complex I (NDH-1) that function as energy-converting ferredoxin plastoquinone oxidoreductases. A distinguishing feature of the cyanobacterial NDH-1 complexes is their role in CO2 hydration. Specialized forms of the NDH-1 complex, the NDH-1MS and NDH-1MS' complexes, contain alternative subunits that drive the conversion of CO2 to HCO3- against the equilibrium using redox energy supplied by ferredoxin. Using cryo-EM single particle analysis we could obtain the first structure of a carbon concentrating NDH-1 complex. Our structure reveals a novel catalytic carbonic anhydrase (CA) module that possess a unique active site harbouring a Zn2+ ion ligated in a different way compared to the well-known α and ß CAs. Supported by theoretical calculations we demonstrate that the propagation of the proton translocation along the membrane part of the complex facilitates the removal of the proton that is released by the CO2 hydration. Unexpectedly, we found that the terminal anti-porter like subunit NdhF3 is not a functional proton pump, but instead harbours a hydrophobic channel that might enable the flow of CO2 molecules directly to the active site of CupA. Taken all this together we present a mechanistic model in which the out of equilibrium CO2 hydration is driven by a push- and pull mechanism.

Cancelled - Abgesagt

05.05.2020 - Dr. Danny Ionescu - Leibniz Institut Stechlin

Achromatium oxaliferum - A compartmentalized super bacterium with multiple-personalities

Polyploid bacteria are common, but the genetic and functional diversity resulting from polyploidy is not fully understood. Achromatium sp. is the largest freshwater bacterium. Its cells contain multiple calcite bodies whose evolutionary role has not been determined. Like other large-sulfur bacteria, it has multiple chromosomes as seen by nucleic acid staining. Using single-cell genomics, metagenomics, single- cell amplicon sequencing and fluorescence in-situ hybridization, we show that individual cells Achromatium harbor genetic diversity typical of multi-species populations. Interestingly, the rRNA distribution inside the cells hints to spatially- differential gene expression. Broad-scale surveys of short-read archives show that Achromatium sp. is globally present in rivers, freshwater lakes, and marine environments but no environment-specific phylogenetic clustering of the 16S rRNA gene is observed. This is likely due to high intra-cellular and population-wide phylogenetic diversity further supporting our findings. We show that these cells contain and also express tens of transposable elements, which likely contribute the unprecedented diversity that we observe in the sequence and synteny of genes. Accordingly, we suggest that the multiple chromosomes of Achromatium do not represent copies of its genome. Nevertheless, our analysis shows that most proteins are under conservation pressure. Thus, given the high single-cell diversity of functional genes and the usually conserved 16S rRNA gene, we suggest that gene convergence is limited to chromosomal clusters formed by the large calcite bodies in the cell. We further suggest that upon cell division, these cluster are shuffled resulting in two daughter cells different from each other as well as from the mother cell. To obtain information on how many alleles of a gene are expressed from the complete repertoire available in each cell, we are developing a method to simultaneously obtain both the genome and transcriptome of each single cell. This allows overcoming the lack of a common genome sequence to the entire population.

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