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Udo Heinemann: Strukturbiologie hilft dabei, gute wissenschaftliche Fragen zu stellen

Der MDC-Wissenschaftler Prof. Udo Heinemann ist ein gefragter Strukturbiologe. Seine Forschung und Expertise genießen einen international hervorragenden Ruf, weshalb er nun in das Forschungskollegium der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gewählt wurde. Als Wissenschaftler interessiert sich Heinemann besonders für die Kristallisation von Proteinen. Einblicke in eine Forscher-Karriere.

Prof. Udo Heinemann. Bild: David Ausserhofer/MDC.

Chemiker kochen Substanzen und Biologen zählen Vögel – im Klischee trennen die beiden Disziplinen Welten. Sie betrachten die Natur tatsächlich in unterschiedlichen Größenordnungen. Die Strukturbiologie jedoch ist eine Disziplin, die sich mit biologischen Fragen auf der kleinsten räumlichen Skala beschäftigt und dabei auch die Chemie und Physik berührt: Welche Form hat ein Protein und welche Funktionen ergeben sich daraus; wie sind die Atome eines Enzyms angeordnet, damit eine biochemische Reaktion ablaufen kann? Prof. Udo Heinemann hat die Herausforderung, biologische Fragestellungen mit den Augen eines Chemikers zu betrachten, früh gereizt: „Bei meinem Studium in Göttingen gab es keinen eigenen Biochemie-Studiengang. Ich habe mich dann einfach in die Vorlesungen zu Mikrobiologie und Pflanzenphysiologie gesetzt.“

Nach dem Studium führte Heinemanns Weg an das Göttinger Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in die Gruppe des bekannten Strukturbiologen Wolfram Saenger, in der er 1982 promovierte. Nach einem Postdoc an der UCLA in Kalifornien wechselte Udo Heinemann als Hochschulassistent an die Freie Universität Berlin, habilitierte, gewann ein Heisenberg-Stipendium und kam 1993 an das Max-Delbrück-Centrum. Hier ist er seitdem als Biochemiker und Strukturbiologe eine feste Größe und hat das Forschungsinstitut zusammen mit den anderen Gruppenleitern aus dieser Neugründungszeit entscheidend mitgeprägt.

Als Strukturbiologen interessiert Heinemann die dreidimensionale Gestalt eines Moleküls, die dessen Funktion bestimmt. Biologische Moleküle sind kleine Maschinen, deren Mechanik man mit den Methoden der Strukturbiologie entschlüsseln kann. Insbesondere Nukleinsäuren und interagierende Proteine haben es ihm angetan: „An diesem Thema hänge ich seit meiner Doktorarbeit“. Die zellulären Vorgänge beeinflussen zum Beispiel die Aktivierung von Genen. Ein zweiter thematischer Schwerpunkt Heinemanns sind Transportprozesse innerhalb der Zelle, die etwa bei der zellulären Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Proteinen beteiligt sind.

Die Röntgenkristallographie ist ein Werkzeug und eine Kunst

Die Kernkompetenz von Udo Heinemanns Forschungsgruppe ist ein Verfahren, das die räumliche Anordnung aller Atome eines Moleküls aufzuklären vermag: die Röntgenkristallographie. Dafür muss man das Molekül kristallisieren – es muss sich in großen, extrem regelmäßigen Verbänden zusammenlagern –, und der Kristall wird dann mit dem kurzwelligen Röntgenlicht bestrahlt. Die Elektronenhüllen der Atome beugen das Licht, und durch die regelmäßige Anordnung im Kristallgitter verstärken sich die gebeugten Lichtstrahlen zu einem charakteristischen Punktmuster, das man hinter dem Kristall detektieren kann (siehe Bild). Computer berechnen zum Schluss aus den Pünktchen des Beugungsbildes die 3D-Struktur des gesamten Moleküls. Das Verfahren übte auf Udo Heinemann von Beginn an einen besonderen Reiz aus: „Röntgenkristallographie galt damals als extrem exotisch, kompliziert und anspruchsvoll. Das hat es für mich besonders interessant gemacht.“

Eine Expertise, die weithin gefragt ist

Auch heute noch ist es eine Herausforderung, Proteine zu kristallisieren. Damit Kristalle von guter Qualität entstehen, müssen die Moleküle hochrein und in großer Menge vorliegen, es müssen bestimmte Salze und Zusätze in den Kristallisationsansatz gemischt, pH-Wert, Temperatur und Proteinkonzentration variiert werden. Manchmal muss auch das Protein selbst modifiziert werden. Bei der Bewältigung dieser Aufgabe sind Erfahrungswerte und Fingerspitzengefühl von unschätzbarem Wert.

Kristallographische Arbeit ist also eine hohe und seltene Kunst, weshalb die Expertise von Heinemanns Labor weithin gefragt ist. Die Strukturen lassen sich ideal durch weitere Methoden ergänzen: Computermodelle, Untersuchungen mit Magnetresonanz, aber auch biochemische und funktionale Versuche. „Die Strukturbiologie ist sehr nützlich, um Hypothesen zu generieren“, sagt er. Viele Gruppen des MDC und des Campus Buch, aber auch Forscherinnen und Forscher aus aller Welt kooperieren daher eng mit Udo Heinemann und seinem Team. In der Servicestelle „Helmholtz Protein Sample Production Facility“ stellt das Labor seine Ressourcen und Erfahrungen zur Reinigung von Proteinen und Herstellung von Proben anderen Forschenden zur Verfügung. Udo Heinemann genießt als Kristallograph einen herausragenden Ruf. Er war von 2009 an für drei Jahre Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Kristallographie (DGK) und ist derzeit Vizepräsident der Europäischen kristallographischen Gemeinschaft (ECA).

Im DFG-Fachkollegium entscheidet Heinemann über Forschungsanträge

Kolleginnen und Kollegen aus ganz Deutschland wählten Heinemann kürzlich in das Fachkollegium „Strukturbiologie“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die DFG-Fachkollegien entscheiden vor allem über die Bewilligung von Forschungsgeldern, aber auch über Forschungsstipendien und Anträge für das Emmy-Noether-Programm. Es sind basisdemokratisch gewählte Gremien, deren Zusammensetzung von allen Personen, die wissenschaftlich arbeiten und promoviert sind, mitbestimmt wird. „Das ist das Geniale an den Fachkollegien – ein ganz bemerkenswerter Mechanismus“, findet Udo Heinemann.

Ob ein bestimmtes Projekt von der DFG gefördert wird, entscheiden letztlich ein Team aus vier Forschenden. Bei den quartalsweise stattfindenden Treffen der Kollegien wird das Potenzial der Arbeit diskutiert: „Es wird genau hingeschaut: Werden die richtigen Fragen gestellt? Wird das Problem mit den richtigen Methoden angegangen?“, erläutert Heinemann. Es ist nicht einfach, gute Fragen zu einem wissenschaftlichen Problem zu stellen.

Während seiner Karriere hat Udo Heinemann die richtigen Fragen gestellt. Er folgte den eigenen Interessen, löste dabei komplexe Probleme und baute so eine international gefragte Expertise auf. In der kritischen Qualifikationsphase zwischen Beginn der Doktorarbeit und der Berufung als Professor hatte er aber auch Glück: „Punkte, an denen es extrem schwierig wurde, sind mir erspart geblieben.“

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