In lebenden Organismen herrscht das Chaos. Die Biophysik versucht, diese Unordnung zu durchdringen und zu verstehen, wie sie sich organisiert. Auf diesem noch relativ jungen Forschungsfeld ist Melissa Birol unterwegs. Die Griechin baut als neue Juniorgruppenleiterin seit dem 1. Dezember am Berliner Institut für Medizinische Systembiologie (BIMSB) die Arbeitsgruppe „Molekulare Biophysik in der quantitativen Neurowissenschaft“ auf. Das BIMSB gehört zum Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC).

Nach ihrem Masterstudium und der anschließenden Promotion in theoretischer Biophysik wollte Melissa Birol dies auf die zelluläre Ebene übertragen, indem sie Erfahrungen mit praktischer und experimenteller Arbeit sammelte. So fand sie zur molekularen Biophysik. Die Faszination für ungeordnete Systeme haben ihr Biophysikerin Elizabeth Rhoades und Biophysiker Andrew Miranker vermittelt. Mit beiden Wissenschaftlern hat sie als Postdoktorandin zusammengearbeitet, erst in Yale, seit 2016 dann an der University of Pennsylvania.

Funktion der ungeordneten Proteine bislang ungeklärt

Am BIMSB wird sie das Verhalten der intrinsisch ungeordneten Proteine (intrinsically disordered proteins, IDPs) erforschen. Diese IDPs sind an neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder amyotropher Lateralsklerose (ALS), einer unheilbaren Nervenerkrankung, die zu spastischen Lähmungen führt, beteiligt. „Diese Proteine sind gut erforscht. Es ist zum Beispiel genau bekannt, welche IDPs mit welchen Erkrankungen in Zusammenhang stehen“, sagt Birol. „Trotzdem weiß man weder, welche Funktion sie eigentlich haben, noch weiß man, was genau in den Zellen passiert, wenn sie ihre Funktion einbüßen und schließlich diese Erkrankungen auslösen.“

Mit Lasermikroskop oder Spektroskop wird Birol Hirn-Organoide untersuchen, aus menschlichen Stammzellen geschaffene Mini-Organe, die das Gehirn in der Petrischale nachbilden. Mit dieser Kombination aus optischen Werkzeugen und biologischen Systemen will sie nachvollziehen, wie die Proteine in die Hirnzellen eindringen, sich dort verhalten und wie neurodegenerative Erkrankungen voranschreiten. Dabei will sie nicht nur beobachten, sondern vor allem physikalisch messen, was passiert.

Bei der Diagnose ist es zu spät für eine Therapie

Ungeordnete Proteine haben keine feste Struktur. „Sie sind wie Spaghetti, die in der Zelle tanzen“, beschreibt die Neurowissenschaftlerin das, was sie unter dem Mikroskop sieht. Sie beobachtet, welche Zustände die IDPs durchlaufen. Am Anfang ist dort nur ein einzelnes diffuses Molekül zu sehen. Dieses verbindet sich mit anderen zu einem formlosen, dynamischen Gebilde, das tatsächlich an gekringelte Spaghetti erinnert, und findet sich mit anderen Zellbestandteilen zusammen. Schließlich gehen sie in einen unbeweglichen, faserartigen Zustand über. So bilden sie die Eiweißablagerungen im Gehirn, die typisch sind für Parkinson oder eine Alzheimer-Erkrankung.

„Wenn wir diese Plaques sehen, ist es zu spät. Die Krankheit lässt sich dann nicht mehr aufhalten“, sagt Birol. Deshalb möchte sie herausfinden, was und warum im Frühstadium mit den IDPs passiert. „Wenn wir wissen, warum sie erst miteinander tanzen und dann miteinander erstarren, können wir therapeutische Ansätze entwickeln, die diesen Prozess stoppen.“

Birol beschränkt sich dabei nicht auf die Vorgänge in den Neuronen, sondern nimmt auch die Mikrogliazellen ins Visier. Mikrogliazellen sind so etwas wie die die Wächter über die grauen Zellen. Sie sind mit feinen Härchen ausgestattet, mit denen sie ständig über das Hirngewebe hinwegtasten und beispielsweise Keime abwehren. Dabei reagieren sie auch auf Proteinablagerungen. Die verklumpten IDPs bleiben nämlich nicht in einem Neuron stecken. Sie diffundieren durch die Zellmembran und verbreiten sich von einem Neuron zum nächsten und schließlich im gesamten Gehirn. Es könnte ein Ansatzpunkt im Kampf gegen neurodegenerative Krankheiten sein, sagt Birol, die Mikrogliazellen dazu zu bringen, die IDPs wegzuräumen. Darüber hinaus will die Wissenschaftlerin auch untersuchen, wie die IDPs mit Zellmembranen interagieren. Möglicherweise können letztere die Ausbreitung im Gehirn verhindern.

Birol freut sich auf die interdisziplinäre Zusammenarbeit am MDC: Insbesondere möchte sie experimentelle mit rechnergestützten Ansätzen kombinieren, sowohl in ihrer eigenen Arbeitsgruppe als auch mit anderen Wissenschaftler*innen.

Text: Jana Ehrhardt-Joswig

Quelle: PM des MDC vom 12. 01. 2021

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