Forschungsgebiete

Biomoleküle wie DNA, RNA und Proteine sind die Bausteine des Lebens. Diese Bausteine sind hochintegrierte Geräte, und ihre biologische Funktion reicht von einfachen Schaltern über molekulare Motoren, die Ladung entlang molekularer Schienen transportieren, bis hin zu komplexen chemischen Syntheseeinheiten, in denen beispielsweise genetische Informationen repliziert werden. Die molekulare Biophysik entwickelt Methoden zur quantitativen Untersuchung der Faltung, Bindung, Dynamik und Energetik von Biomolekülen und ihrer Wechselwirkungen. Beispiele für die Methoden, die am Fachbereich Biowissenschaften eingesetzt werden, sind die optische Mikroskopie von Einzelmolekülen, optische und magnetische Einzelmolekülpinzetten sowie Computersimulationen.

Involvierte Arbeitsgruppen: Dietz, Duderstadt, Rief, Zacharias

Strukturbiologie liefert mechanistische Details zur Funktion von Biomolekülen in atomarer Auflösung. Hochaufgelöste Einblicke zur Struktur und konformationellen Dynamik können durch die Kombination von Röntgenkristallographie, Kryo-Elektronenmikroskopie (EM) und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) gewonnen werden. Darüber hinaus dienen experimentell bestimmte Strukturen als Ausgangspunkt für anspruchsvolle Molekulardynamiksimulationen (MD), um weitere funktionelle Erkenntnisse zu gewinnen.

Die strukturbiologischen Gruppen des Departments Bioscience beschäftigen sich mit den molekularen Mechanismen der Genregulierung und des Spleißens, den strukturellen Grundlagen der Bildung von Amyloidfasern und der angeborenen Immunität, der Erforschung mechanistischer Details der Enzymfunktion und den strukturellen  Grundlagen der Funktionsweise von Membranproteinen. 

Strukturbiologische Ergebnisse sind unerlässlich, um auf strukturbasierte und rationale Weise maßgeschneiderte kleine Moleküle gegen Krankheits-auslösende Proteine und Nukleinsäuren zu entwerfen. 

Dieses hochmoderne Forschungsportfolio wird ermöglicht durch die exzellente Infrastruktur des Bayerischen NMR-Zentrums (gemeinsam getragen von der TUM und dem Helmholtz Zentrum München), die Protein-Kristallographie und die EM-Facility der TUM in Zusammenarbeit mit der Kryo-EM-Plattform des Helmholtz Zentrum München, ergänzt durch ein breites Spektrum an biophysikalischen und analytischen Methoden und Hochleistungscomputern, die am Department Bioscience zur Verfügung stehen.

Involvierte Arbeitsgruppen: de Oliveira Mann, Groll, Hagn, Reif, Sattler, Zacharias

Zellen sind die grundlegenden funktionellen Einheiten des Lebens. Das Verständnis, wie molekulare Prozesse reguliert werden, um ihre vielfältigen Funktionen zu ermöglichen, und wie die Fehlregulierung dieser Prozesse zu menschlichen Krankheiten beiträgt, ist ein Hauptziel der Teams in unserem Schwerpunktgebiet Zellbiologie. Wir verwenden eine Vielzahl von Techniken wie Genbearbeitung, funktionale Genomik, Hochdurchsatzverfahren zur Analyse der Genexpression sowie Licht- und Elektronenmikroskopie, um die Funktion einzelner Proteine zu untersuchen und zu kontrollieren und die räumlich-zeitliche Regulation verschiedener molekularer Signalwege in Zellen zu entschlüsseln. Unsere Forschung stützt sich auf eine breite Palette von eukaryotischen Modellsystemen (Hefezellen, Fadenwürmer, Zebrafisch, aus menschlichen Stammzellen abgeleitete Kulturen und Organoiden), was es uns ermöglicht, mechanistische Einblicke in evolutionär konservierte Regulationswege zur Erreichung und Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase zu gewinnen.

Involvierte Arbeitsgruppen: Buchner, Feige, Nedialkova, Westmeyer

Biologische Signalwege stellen komplexe Regulationskreisläufe innerhalb von Zellen dar, die erforderlich sind, um eine gesunde zelluläre Physiologie aufrechtzuerhalten. Eine fehlerhafte Regulation dieser Signalwege führt zu zellulärer Dysfunktion und dem Ausbruch von Krankheiten. Das Wissen über die biomolekularen Faktoren, die für Pathologien verantwortlich sind, ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Strategien zur maßgeschneiderten Behandlung. Das Gebiet der chemischen Biologie innerhalb unserer Abteilung kombiniert verschiedene experimentelle Ansätze, um Krankheitsmechanismen zu entschlüsseln und zu beeinflussen. Chemische Sonden werden entwickelt, um krankheitsassoziierte Zielmoleküle in ganzen Zellen zu identifizieren, und modernste massenspektrometrie-basierte Technologien werden eingesetzt, um das zelluläre Proteom und Metabolom zu untersuchen. Proteine mit entscheidender Bedeutung für Gesundheit und Krankheit werden einer hochauflösenden Analyse ihrer Struktur und Dynamik unter Verwendung der Strukturbiologie unterzogen. Enzyme stellen eine wichtige Unterklasse solcher Proteine dar, da sie für katalytische Umwandlungen innerhalb der Zelle unerlässlich sind. Sie können auch für biokatalytische Anwendungen entwickelt werden, die eine attraktive Alternative zur klassischen organischen Synthese darstellen. Nukleinsäuren (RNA, DNA) spielen eine bedeutende Rolle bei der Genregulation und zellulären Physiologie, und ihre dynamischen Wechselwirkungen mit Proteinen werden mithilfe von Strukturbiologie und biophysikalischen Methoden untersucht. Die gewonnenen mechanistischen Erkenntnisse über diese biologischen Makromoleküle bilden die Grundlage für das rationale Design von kleinen Molekülen zur Beeinflussung der biomolekularen Funktion in menschlichen Krankheiten, pathogenen Bakterien oder Parasiten.

Involvierte Arbeitsgruppen: Groll, Sattler, Sieber, Strittmatter, Zeymer

In der computergestützten und theoretischen Biophysik verwenden wir theoretische Konzepte aus der Physik, um biologische Systeme zu untersuchen und zu erklären. Die Eigenschaften biologischer Systeme basieren auf dem komplexen Zusammenspiel und der Dynamik einer großen Anzahl von molekularen Komponenten. Computermethoden ermöglichen es uns, die Struktur und Dynamik von biologischen Molekülen zu untersuchen, die für ihre Funktion entscheidend sind. Es ist möglich, die Strukturbildung und Assoziation von Biomolekülen in atomarer Auflösung zu untersuchen und die zugrunde liegenden kräftebildenden Strukturen sowie thermodynamische und kinetische Parameter zu analysieren. Viele noch unbeantwortete Fragen zum Mechanismus spezifischer Strukturbildung können daher durch computergestützte Methoden geklärt werden.

Biologische Systeme sind nicht nur auf molekularer Ebene, sondern auch in höheren organisatorischen Einheiten wie Zellorganellen oder ganzen Zellen äußerst dynamisch. Hier spielen oft stochastische Prozesse, die weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht sind, eine entscheidende Rolle. Das Zusammenspiel dieser Prozesse bestimmt und reguliert zelluläre Abläufe und führt zur Selbstorganisation zellulärer Strukturen. Zum Beispiel finden in Zellen stochastische Prozesse statt, die biochemische Energie verbrauchen und so eine gerichtete Bewegung erzeugen. Mit Hilfe mathematischer Methoden und computergestützter Ansätze im mesoskaligen Bereich können Modelle erstellt werden, um solche Prozesse zu beschreiben und zu erklären. In diesem Zusammenhang sind die Prinzipien der Organisation und Regulation stochastischer Prozesse in Zellen und deren Entwicklung im Verlauf der Evolution nach wie vor weitgehend unbekannt und ein wichtiger Aspekt unserer Arbeit in der computergestützten Biophysik.

Involvierte Arbeitsgruppen: Alim, Gerland, Zacharias

Die Prozesse des Lebens sind komplexe emergente Phänomene, die durch das Zusammenspiel einer großen Anzahl von kleinen und großen Molekülen weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht entstehen. Die Systembiologie widmet sich der experimentellen Untersuchung und quantitativen Analyse komplexer Biosysteme, ihrer theoretischen Erforschung und Modellierung. An der Schnittstelle zur Synthetischen Biologie zielt die Systembiologie auch auf die kontrollierte Veränderung des Verhaltens von Systemen ab. Am Fachbereich Biowissenschaften entwickeln und nutzen Forscher hochdurchsatzfähige experimentelle Werkzeuge, um biologische Komplexität zu untersuchen (Sequenzierung, Genexpressionsstudien, Lipidomik, Metabolomik), solche Systeme rechnerisch zu erkunden und aktiv an der Implementierung synthetischer molekularer Netzwerke in vivo zu arbeiten.

Involvierte Arbeitsgruppen: Gerland, Nedialkova, Simmel, Strittmatter

Proteine sind die strukturell und funktionell vielfältigsten Biomoleküle. In unserem Schwerpunktgebiet der Proteinbiochemie untersuchen wir grundlegende Aspekte von Proteinen, indem wir ihre Struktur, konformationelle Dynamik und biomolekulare Interaktionen direkt mit biologischen Funktionen verknüpfen. Um dieses Ziel zu erreichen, verwenden wir eine breite Palette modernster analytischer Techniken, die es uns ermöglichen, ein neues Niveau an mechanistischem Verständnis wichtiger zellulärer Prozesse, die von Proteinen orchestriert werden, zu erreichen. Wir nutzen diese Erkenntnisse, um Proteine für biotechnologische Anwendungen zu entwickeln und zur Behandlung menschlicher Krankheiten beizutragen. Unsere Forschungsthemen umfassen eine breite Palette von biologischen Systemen, wie die Verarbeitung und alternative Splicing von prä-mRNA, die das Proteom einer Zelle definiert, den Lebenszyklus und die Funktionalität löslicher und membrangebundener Proteine, die Faltung von Polypeptidketten und ihren Abbau durch das Proteasom und andere Proteasen. Dies umfasst verschiedene Aspekte wie die Analyse von Proteinaggregation und fehlerhafter Faltung als Grundlage von Krankheiten, den Mechanismus des Transports von Proteinen und Metaboliten durch Membranen, die Aufrechterhaltung der Protein-Homöostase in der Zelle unter physiologischen und Stressbedingungen, zelluläre Signalwege, Enzymmechanismen einschließlich der Entwicklung und gerichteten Evolution von neuen Enzymen und die gezielte Modulation der Protein-Funktion durch chemische Verbindungen und rationales Engineering. Zusammen ermöglicht dieses Forschungsportfolio ein detailliertes Verständnis der molekularen Grundlagen des Lebens. Es erlaubt die Entwicklung neuer Strategien zur Bekämpfung von mit diesen Prozessen verbundenen Krankheiten und zur Gestaltung neuer therapeutischer Ansätze.

Involvierte Arbeitsgruppen: Buchner, Feige, Groll, Hagn, Reif, Sattler, Sieber, Zeymer

Nukleinsäuren sind essenzielle Biomoleküle für die Speicherung und Übertragung genetischer Informationen, die für die Erhaltung und Vermehrung des Lebens erforderlich sind. Da genetische Informationen in die molekularen Bausteine der Zellen umgewandelt werden, nehmen Nukleinsäuren komplexe Strukturen mit zunehmend vielfältigen Funktionen an. In der Abteilung für Biowissenschaften erstreckt sich die laufende Forschung über eine breite Palette von Themen in der Biochemie der Nukleinsäuren, angefangen bei mechanistischen Studien zur DNA-Replikation bis hin zur genomweiten Analyse von tRNAs auf Systemebene. Über ihre lebenswichtige Rolle in den Zellen hinaus nutzt unsere Abteilung Nukleinsäuren als vielseitige Baumaterialien zur Herstellung von molekularen Geräten und Maschinen mit neuen Funktionen. Wir untersuchen die Struktur, Dynamik und biomolekularen Interaktionen von Nukleinsäuren mit Methoden, die von integrierender Strukturanalyse mit Hilfe von NMR, Kryo-EM und Röntgenkristallographie bis hin zu dynamischen Studien unter Verwendung von Einzelmolekül-Mikroskopie und funktioneller Analyse mittels Next-Generation-Sequenzierung reichen.

Involvierte Arbeitsgruppen: Dietz, Duderstadt, Nedialkova, Sattler

Willkommen in der Forschungsabteilung für Synthetische Biologie am Department Biosciences, wo modernste Forschung auf akademische Exzellenz trifft. Ob Sie ein potenzieller Student, ein Promotionskandidat, ein Postdoc oder ein mögliches Fakultätsmitglied sind, wir laden Sie ein, die grenzenlosen Möglichkeiten und Herausforderungen im Bereich der synthetischen Biologie zu erkunden, die hier auf Sie warten.

Was ist Synthetische Biologie?

Synthetische Biologie ist ein interdisziplinäres Feld, das Prinzipien aus Biophysik, Ingenieurwissenschaften, Informatik und Biologie integriert, um neue biologische Bauteile, Systeme und Geräte zu entwerfen und zu konstruieren, um das Verständnis lebender Systeme zu vertiefen. Sie zielt auch darauf ab, bestehende biologische Systeme für nützliche Zwecke neu zu gestalten. Stellen Sie sich vor, programmierbare Zellen zu erschaffen, maßgeschneiderte Organismen zu entwickeln oder sogar die menschliche Biologie neu zu gestalten - all dies sind mögliche Ergebnisse der Forschung in der Synthetischen Biologie.

Ziele

Das zentrale Ziel unserer Abteilung ist es, die Grenzen des biologischen Wissens zu erweitern und gleichzeitig praktische Anwendungen zu entwickeln, die der Menschheit zugutekommen. Wir streben danach, grundlegende biologische Prozesse auf molekularer und systemischer Ebene zu verstehen, neue Werkzeuge und Technologien zur Manipulation biologischer Systeme zu entwickeln sowie Lösungen für drängende Probleme in den Bereichen Gesundheitswesen, Umweltschutz und andere technologische Felder zu schaffen.

Vertretene Forschungsfelder

Unsere Abteilung beherbergt mehrere spezialisierte Forschungsfelder, die eine vielfältige Palette von Möglichkeiten bieten:

• Systembiophysik: In diesem Bereich werden die physikalischen Prinzipien untersucht, die die Organisation und das Verhalten biologischer Systeme, von einzelnen Zellen bis zu komplexen Geweben, regieren. Unsere Arbeit hilft, Krankheiten auf molekularer Ebene zu verstehen und liefert Einblicke in neuartige therapeutische Ansätze.

• Proteindesign: Forscher in diesem Bereich konzentrieren sich darauf, neue Proteine mit spezifischen Funktionen zu schaffen, entweder durch Modifikation vorhandener Proteine oder durch die Konstruktion von Proteinen von Grund auf. Diese Forschung hat breite Anwendungen in der Arzneimittelentwicklung, Biotechnologie und Materialwissenschaft.

• DNA-Nanotechnologie und DNA-Origami: Wir sind an vorderster Front bei der Schaffung komplexer Nanostrukturen unter Verwendung von DNA als Baumaterial. Diese Strukturen können als Arzneimittel-Liefersysteme, chemische Sensoren und sogar als Rechenmaschinen dienen.

• Theoretische Biophysik: Hier werden rechnerische Methoden und mathematische Modelle eingesetzt, um die biophysikalischen Prozesse zu verstehen, die der Struktur und Funktion biologischer Systeme zugrunde liegen. Dieser theoretische Rahmen ermöglicht effektivere Experimentaldesigns und Interpretationen.

Warum bei uns mitmachen?

• Modernste Einrichtungen: Hochmoderne Labore und Computeranlagen.

• Kollaborative Umgebung: Arbeiten Sie neben führenden Experten in verschiedenen Disziplinen.

• Globale Auswirkungen: Ihre Arbeit hier könnte die Art und Weise, wie wir das Leben verstehen, verändern und globale Herausforderungen angehen.

Machen Sie den nächsten Schritt in Ihrer akademischen oder beruflichen Laufbahn, indem Sie sich unserem dynamischen Team anschließen und zur bahnbrechenden Forschung in der Synthetischen Biologie beitragen.

Involvierte Arbeitsgruppen: Bausch, Dietz, Simmel, Westmeyer

Die Physik zellulärer Systeme ist ein multidisziplinäres Feld, das Prinzipien aus Physik, Biologie und Ingenieurwesen vereint, um die komplexen Verhaltensweisen innerhalb von Zellen und deren Interaktionen im weiteren Kontext der Gewebe- und Organbildung zu entschlüsseln. Es wendet statistische Mechanik, Fluiddynamik und Konzepte der Physik der weichen Materie an, um zelluläre Prozesse wie Teilung, Beweglichkeit und Signalübertragung zu verstehen. Darüber hinaus erstreckt es sich auf die Untersuchung von Zell-Zell-Interaktionen, zelluläres Verhalten, Organentwicklung und Morphogenese. Eine besondere Rolle spielt dabei die Frage, wie physikalische Kräfte und mechanische Eigenschaften die Kommunikation zwischen Zellen, die Selbstorganisation von intrazellulären Strukturen bis hin zu Geweben bestimmen. Ziel ist es nicht nur die grundlegenden Gesetze, die das Leben ausmachen zu entdecken, sondern hat auch biotechnologische Anwendungen zu erschließen. 

Involvierte Arbeitsgruppen: Alim, Bausch, Duderstadt