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Forschungsbericht
2003 - 2004

 

 
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Institut für Medizinische
Physik und Biophysik

Tel. (0251) 83-55101
Fax: (0251) 83-55144
e-mail: reichru@uni-muenster.de
www: medweb.uni-muenster.de/institute/impb/
Robert-Koch-Str. 31
48149 Münster
Geschäftsf. Direktor: Prof. Dr. Rudolf Reichelt

Forschungsschwerpunkte 2003 - 2004 
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Darstellung des Instituts

Das Institut besteht aus vier selbständigen Arbeitsgruppen unter der Leitung je eines Professors (1 C4, 3 C3). Alle Gruppen beschäftigen sich mit Fragestellungen zur Aufklärung der Struktur biologischer Systeme auf der molekularen und zellulären Ebene und den zugehörigen Struktur-Funktionsbeziehungen. Alle Arbeitsgruppen arbeiten sowohl an eigenen, wissenschaftlichen Fragestellungen als auch an methodologischen und instrumentellen Entwicklungen. Neben der eigenen Forschung und Entwicklung fungiert das Institut als Zentrum für moderne analytische Methoden und stellt seine Expertise und seine Geräte Kollegen der Medizinischen Fakultät aber auch der naturwissenschaftlichen Fachbereiche für Analysen zur Verfügung. Solche Analysen beschränken sich auf Methoden, die noch nicht Routine sind und werden durchgängig als Forschungskooperationen durchgeführt, nicht als reine Serviceleistungen.

Laser Massenspektrometrie

Dieses Arbeitsgebiet unter Leitung von Prof. Franz Hillenkamp hat von der Erfindung der Matrix-Unterstützten Laserdesorptions/Ionisations-Massenspektrometrie (MALDI-MS) 1987 durch Karas und Hillenkamp an diesem Institut seinen Ausgang genommen. Die MALDI-MS ist eines der zwei modernen Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse biologischer Makromoleküle. Es hat in den letzten Jahren vor allem die Proteinanalytik revolutioniert (Proteomik) und ist auf dem Weg, auch für die Analytik anderer Stoffklassen völlig neue Möglichkeiten zu eröffnen. Das Institut zählt weltweit zu den bekanntesten Zentren der makromolekularen Massenspektrometrie. In der Arbeitsgruppe werden parallel und in etwa gleichwertig Arbeiten zu drei Schwerpunkten durchgeführt:

Methodische und instrumentelle Weiterentwicklungen. Zum einen geht es dabei um Grundlagenforschung zur Aufklärung der physikochemischen Prozesse, die der Laserdesorption intakter makromolekularer Ionen zugrunde liegen, sowie deren Umsetzung für instrumentelle Verbesserungen. Wichtigstes Beispiel ist hier die Entwicklung der MALDI-MS mit Wellenlängen im Infraroten und die Entwicklung einer "Infrarot-Nachionisationstechnik" zur Generation groçer Biomolekülionen aus kleinsten Tröpfchen.

Prototypische Erschlieçung neuer Anwendungsfelder. Hierzu gehören vor allem die Anwendung der MALDI-MS auf die Analyse von Nukleinsäuren, die in jüngerer Zeit völlig neue Möglichkeiten eröffnet hat, und die Analyse von Kollagenproteinen. Hybride Kopplung der MALDI-MS mit analytisch-chemischen Methoden. Hierzu gehören in jüngerer Zeit vor allem diejenige mit der Dünnschichtchromatographie (DC) zur Detektion von Glykokonjugaten direkt von der DC-Platte.

Alle Projekte werden in Kooperation mit Kollegen in Münster und an/in auswärtigen Universitäten und Firmen durchgeführt.

Elektronenmikroskopie und Analytik

Dies war das traditionelle Arbeitsgebiet des Instituts, eingeführt von seinem Gründer, Prof. G. Pfefferkorn. Nach der Übernahme des Arbeitsgebiets durch Prof. Rudolf Reichelt im Sommer 1990 wurde das traditionelle Methodenspektrum durch hochauflösende elektronen- und rastersondenmikroskopische Techniken (Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie, Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie) erweitert. Diese Techniken wurden wesentlich durch Drittmittel gefördert und werden sehr erfolgreich für strukturelle Untersuchungen an biologischen / organischen / medizinischen Proben eingesetzt. In der Arbeitsgruppe werden parallel Arbeiten zu folgenden Schwerpunkten durchgeführt:

Methodische und instrumentelle Weiterentwicklungen. Dabei geht es insbesondere um Beiträge zur Aufklärung und Quantifizierung von mikroskopischen Kontrastphänomenen sowie um instrumentelle Verbesserungen.

Erweiterungen, die die Effizienz und Aussagekraft der Methoden steigern und neue Anwendungen ermöglichen. Ein wichtiges Beispiel ist die Entwicklung von Detektoren zur Zählung einzelner Signalelektronen für quantitative Anwendungen wie beispielsweise die Massenmessung einzelner Biomakromoleküle, Masse pro Länge von Filamenten sowie Masse pro Fläche von Membranen oder dünnen Filmen.

Strukturelle Untersuchungen mit hoher räumlicher Auflösung an mono- und multimolekularen organischen Filmen (z.B. Lipid-, Lipid/Protein-, Thiolfilme) erfolgen mit dem Ziel, die strukturellen Daten mit Funktionszuständen bzw. Filmeigenschaften zu korrelieren.

Die räumlich hochaufgelöste Charakterisierung von Oberflächen im Rahmen konkreter wissenschaftlicher Projekte, z.B. zu immunologischen / medizinischen / allergologischen / mikrobiologischen / biotechnologischen Fragestellungen werden ausnahmslos in Kooperation mit Kollegen in Münster, anderen deutschen und ausländischen (u.a. Belgien, Österreich, Schweiz, Venezuela) Instituten bzw. Universitäten durchgeführt. Die Arbeitsgruppe besteht aus Studenten (Diplom, Promotion), promovierten Mitarbeitern (gegenwärtig Fachrichtungen Physik und Biologie) und technischen Mitarbeitern, die ein interdisziplinäres Team bilden.

Biomedizinische Analytik

Die Abteilung Biomedizinische Analytik wurde unter der Leitung von Frau Prof. Jasna Peter-Katalinic als Laboratorium für biomakromolekulare Massenspektrometrie im Oktober 1996 gegründet. Unsere Forschungsschwerpunkte liegen auf Fragestellungen über die Struktur und Funktion von Glykosylierungsparametern in den Prozessen der Entwicklung des Gehirn, bei Initiationsprozessen der Entzündung, in der Tumorbiologie und bei hereditären Enzymdefekten. Hierbei kommen modernste massenspektrometrische Methoden und Techniken zum Einsatz. Die Expression und Struktur von komplexen N- und O-verknüpften Kohlenhydraten in natürlichen und rekombinanten Glykoproteinen und von terminalen Kohlenhydratepitopen an Glykoproteinen und Glykolipiden werden ermittelt. Im Bereich der Proteomik und Glycomik werden sowohl die Peptide als auch die Glykane bezüglich funktionsrelevanter Strukturveränderungen untersucht.

Zur Weiterentwicklung von Mikro- und Nanomethoden zum Nachweis von bis zu femtomolaren Mengen an Glykokonjugaten werden TLC-, LC- und CE-Kopplung mit der Massenspektrometrie sowie chip-basierte, teilweise automatisierte Ionisierungssysteme eingesetzt. Zur Sequenzierung und Strukturaufklärung von biologischen Makromolekülen wird mit verschiedenen Tandem MS Techniken gearbeitet.

Neben einem Hybrid Quadrupol-Flugzeit Massenspektrometer (Q-Tof MS) kommt ein Fourier-Transform Ion Zyklotron Resonanz Massenspektrometer (FT-ICR MS) bei der Untersuchung von verschiedensten Glykokonjugatspezies zum Einsatz. Die FT-ICR MS zeichnet sich durch ein extrem hohes Massenauflösungsvermögen, eine hohe Massengenauigkeit sowie die Fähigkeit zur Durchführung verschiedener (mehrstufiger) Fragmentierungsmethoden aus.

In der Gruppe arbeiten Doktoranden (Chemiker, Biochemiker, Physiker), Postdoktoranden (Chemiker und Biochemiker), ein wissenschaftlicher Assistent (Biochemiker) und ein technischer Mitarbeiter. Kooperationen bestehen mit mehreren Arbeitsgruppen der Medizinischen und Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Münster und an Proteinen und Glykokonjugaten forschenden Gruppen an deutschen Universitäten, sowie mit Laboratorien in Großbritanien, Kroatien, den Niederlanden, Norwegen, Österreich, Russland, Slovenien, der Ukraine, und den USA.

Molekulare Zellbiologie

Dieses Arbeitsgebiet unter der Leitung von Prof. Reiner Peters führt die Entwicklung der Fluoreszenz-Mikroskopie und ihrer Anwendung bei der Untersuchung von Transportvorgängen in Zellen fort. Die Fluoreszenz-Mikrophotolyse wurde 1974 von Peters et al. eingeführt und ist auch unter der Bezeichnung "fluorecence recovery after photovleaching (FRAP)", zu einer weitverbreiteten Technik der Zellforschung geworden. In Münster wurde in der Gruppe 1994 die Scanning Mikrophotolyse (SCAMP) entwickelt, eine Verschmelzung von Fluoreszenz-Mikrophotolyse und konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie. 1999 wurde daraus die Optische Einzeltransporter-Registrierung (OSTR) entwickelt, die es ermöglicht, die Aktivität einzelner Transporter in funktionell isolierten Membranbezirken mit fluoreszenzmikroskopischen Mitteln zu messen ("fluorescent patch clamp").

Weiterhin beschäftigt sich die Gruppe mit dem "single particle tracking", einem fluoreszenzmikroskopischen Verfahren zur Visualisierung und nanometer-genauen Lokalisation einzelner Partikel und Moleküle. Die entwickelten Methoden werden angewendet, um den intrazellulären Transport von Makromolekülen zu untersuchen. Schwerpunkte sind dabei die Transporteigenschaften des Porenkomplex der Kernhülle sowie die Transportwege innerhalb des Zellkerns. 1999 konnte in der Arbeitsgruppe erstmals der Transport von Proteinen durch einezelne Kernporenkomplexe gemessen werden und damit das Potential des OSTR-Verfahrens gezeigt werden.

A Laser Massenspektrometrie
B Elektronenmikroskopie und Analytik
1 Entwicklung von Hard- und Software für die quantitative Rasterelektronenmikroskopie an dünnen Proben
2 Hochauflösende Charakterisierung von Oberflächen mittels Rasterelektronen (SEM)- und Rasterkraftmikroskopie (SFM)
3 Immunelektronenmikroskopische Untersuchungen an Allergenen
4 Raster- und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen zur Lösung klinischer Fragestellungen
C Biomedizinische Analytik
1 Glykosphingolipide: Struktur und funktionelle Bedeutung als Zielstrukturen für Tumordiagnostik und -therapie
2 Struktur, posttranslationale Modifikationen und Funktion von Proteinen 1
3 Struktur, posttranslationale Modifikationen und Funktion von Proteinen 2
4 Struktur, posttranslationale Modifikationen und Funktion von Proteinen 3
5 Struktur, posttranslationale Modifikationen und Funktion von Proteinen 4
6 Fourier Transform Ionen Zyklotron Resonanz Massenspektrometrie in der Biomedizinischen Analytik
7 Kopplung von Mikrofluidiksystemen und Massenanalysatoren
D Molekulare Zellbiologie

 

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