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Forschung

Unsere Forschung ist hochgradig interdisziplinär an der Schnittstelle von Biologie und Physik und entwickelt die strukturelle Massenspektrometrie (MS) weiter, um virologische Fragen von großer Bedeutung für die menschliche Gesundheit zu beantworten. Dies spiegelt sich auch in der weiteren Zugehörigkeit der Leiterin und mehrerer Gruppenmitglieder zu DESY und European XFEL wider.

Da wir uns hauptsächlich für die Struktur und Dynamik von viralen Proteinkomplexen interessieren, ist es unser Forschungsziel, die Funktionsweise dieser komplexen Mechanismen zu klären. Wir konzentrieren uns auf die Replikations-/Transkriptionsmaschinerie von RNA-Viren, insbesondere Coronaviren, die oft in vielen verschiedenen Zuständen existieren, um eine Reihe von Funktionen zu vermitteln. Darüber hinaus interessieren wir uns für den Zusammenbau viraler Partikel, wobei die wenig vorkommenden Zwischenstufen für die Entwicklung von Arzneimitteln relevant, aber schwer zu untersuchen sind. Diese Arbeit konzentriert sich weitgehend auf Noroviren, ein wichtiges humanes Pathogen, für das es noch keine präventiven Behandlungen gibt. Beim Zusammenbau von Kapsiden sind einzelpartikelähnliche Ansätze am besten geeignet, um strukturelle Informationen abzuleiten.

Strukturelle MS wird immer beliebter, da sie nur geringe Probenmengen erfordert und eine Automatisierung ermöglicht, wodurch sich Möglichkeiten für systematische Untersuchungen der Strukturdynamik eröffnen. Wir verwenden und entwickeln MS-basierte Techniken, um koexistierende Zustände zeitaufgelöst zu untersuchen, und verfolgen dabei komplementäre Wege: 1) grundlegende Strukturinformationen aus struktureller MS; 2) Strukturmodelle in Lösung aus nativer Top-Down-MS; und 3) hochaufgelöste Gasphasenstrukturen von Röntgen-Freie-Elektronenlasern (XFEL). In den beiden letztgenannten Fällen werden unsere MS-gestützten Systeme die Betrachtung spezifischer transienter Zustände ermöglichen und die Nutzung der verschiedenen Lichtquellen in Hamburg wie PETRA III, FLASH I/II und des European XFEL einschließen. Was die strukturelle MS betrifft, so haben wir in der Gruppe die native und die Wasserstoff-/Deuterium-Austausch-MS (HDX) etabliert, um verschiedene Forschungsfragen anzugehen. Die beiden Methoden ergänzen sich, wobei die native MS Informationen über die Dynamik von quaternären Zusammensetzungen und die HDX-MS lokale Strukturinformationen liefert.
 
 Puzzlr
 
 
MS wird oft mit klassischen strukturbiologischen Methoden kombiniert, um zu entschlüsseln, wie Viren sich bilden und funktionieren. Titelbild, Dülfer et al 2019 Adv Virus Res (https://www.elsevier.com/books/complementary-strategies-to-study-virus-structure-and-function/rey/978-0-12-818456-1)
 
 
Die Forschung zu Coronaviren ist gerade wieder ins Rampenlicht gerückt. Wie bereits erwähnt, verändern coronavirale nicht-strukturelle Proteine (nsps) während der Infektion dynamisch ihre Struktur und Funktion, was unter anderem durch posttranslationale Modifikationen (PTMs) vermittelt wird. Mit unseren nativen Top-Down-MS-Ansätzen hoffen wir, Struktur und PTMs zu korrelieren, was mit anderen Mitteln nicht ohne weiteres möglich ist. Wir exprimieren nsps mit dem Ziel, größere Komplexe zusammenzusetzen. Der Vergleich von bakteriellen mit Säugetier-Expressionssystemen und verschiedenen Virusspezies wird Aufschluss darüber geben, wie PTMs den Zusammenbau verändern. In nativer MS kann die enzymatische Aktivität direkt überwacht werden, und gleichzeitig lässt sich feststellen, wie die Komplexe zwischen den Assemblierungszuständen hin- und herwechseln, wie dies bei der viralen Proteaseprozessierung von regulatorischen Polyproteinabschnitten geschehen ist.
 
Bild 3
 
Native MS zur gleichzeitigen Überwachung der Verarbeitung und des Zusammenbaus von koronaviralen nsps.
 
 
Bei Noroviren konzentrieren wir uns auf die viralen Kapside und darauf, wie ihre Struktur während des viralen Lebenszyklus bestimmt und verändert wird. Wir arbeiten derzeit hauptsächlich mit virusähnlichen Partikeln und bauen dabei auf unsere Arbeit an partiellen Kapsidproteinen, dem P-Dimer, auf. Dadurch konnten wir das unterschiedliche Verhalten verschiedener Isolate in nativer und HDX-MS aufdecken. Mithilfe der HDX-MS können wir strukturelle Veränderungen in den Partikeln bei der Einwirkung von Bindungsfaktoren lokalisieren. Auf diese Weise hoffen wir zu entschlüsseln, wie humane Noroviren in Zellen eindringen und warum die Produktion in Zellkultur so schwierig ist. Unsere Arbeit an viralen Kapsiden wird auch stark von der Einzelpartikel-Bildgebung am European XFEL und den Entwicklungen im EU FET OPEN Projekt MS SPIDOC profitieren.
 
SPIDOC
 
 
Der Zusammenbau von Norovirus-ähnlichen Partikeln wird entscheidend durch den N-Terminus bestimmt.

Graph abstract Pogan et al Vaccines 2021 (https://www.mdpi.com/2076-393X/9/1/8)
 
 

 
 
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