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Von Marburg in den Mikrokosmos

Forschung Marburg Von Marburg in den Mikrokosmos

Mitochondrien werden „Kraftwerke der Zelle“genannt, weil sie Energie produzieren. Das kann die Zelle aber auch alleine.Roland Lill fand vor rund 20 Jahren heraus, warum die „Dingerchen“ trotzdem unverzichtbar sind.

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Professor Dr. Roland Lill schaut sich mit seiner Mitarbeiterin Dr. Viktoria Paul eine Petrischale mit Hefekulturen an. Die Hefezellen kann man mit bloßem Auge nicht erkennen, geschweige denn die Zellbestandteile, die die Zellbiologen interessieren.

Quelle: Nadine Weigel

Marburg. Jeder Biologie- oder Chemieunterricht, der etwas muffig daherkommt, könnte eine Prise Roland Lill vertragen. Der Direktor des Instituts für Zytobiologie und Zytopathologie der Uni Marburg kann auch nach Jahrzehnten noch eine erfrischende Distanz zu seinem Forschungsfeld aufbauen.

„Vor ein paar Jahren war ich mal in meinem alten Gymnasium eingeladen. Als Alumni und Wissenschaftler sollte ich zu meinem Fachgebiet reden. Aber wie soll man Schülern und deren Eltern, die von meiner Forschung noch nie etwas gehört haben, zwei Stunden lang diesen Spezialkram erklären“, fragte sich Lill.

Er nannte seinen Vortrag: „Mitochondrien – Organellen mit Migrationshintergrund als unverzichtbare Dienstleister der Zelle.“

Vielleicht liegt es daran, dass Lill eigentlich Chemiker war, bevor er anfing, sich auch beruflich für die belebte Natur zu interessieren, jedenfalls „kann ich mir die auch selbst immer noch nicht so richtig vorstellen“. Gemeint sind die Mitochondrien, oder einfach die „Dingerchen“, wie sie der gebürtige Schwabe liebevoll nennt.

Der Daumen 10-2

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Wenn man sich vorstellt, im Berliner Olympiastadion ein Ein-Cent-Stück suchen zu müssen, dann bekommt man einen ungefähren Eindruck von den Dimensionen, in denen sich Lill und seine Forschungsgruppen in Marburg bewegen.
Nur dass Lill nicht das Cent-Stück sucht, sein eigentliches Interesse gilt einer Eisen-Schwefel-Verbindung, die von der Größe eher einem Staubkorn im Stadion ähnelt. Bei diesem Vergleich in seinem Vortrag fingen die Schüler und Eltern dann spontan an zu klatschen.

Das hat den 59-Jährigen gerührt. „Ich musste erst mal 20 Sekunden Pause machen und hab‘ auch gesagt, ,es fällt mir schwer, jetzt weiterzureden‘“, sagt Lill.
Gerade der Respekt und die Anerkennung der Laien scheinen Lill zu bewegen.

Vielleicht auch, weil ihm das Lob und der Ruhm in der sogenannten „Scientific Community“, also unter Wissenschaftlern, schon seit Jahren sicher ist.
Roland Lill ist Träger des Leibniz-Preises, dem höchstdotierten Forschungspreis der Bundesrepublik.

Zahlreiche Publikationen und Zitierungen in angesehenen Fachzeitschriften wie „Science“ und „Nature“ kann er für sich beanspruchen. Außerdem forschen weltweit rund 40 Labore heute auf dem Gebiet, dessen Grundlagen er vor fast 20 Jahren gelegt hat.

1996 kommt Lill nach Marburg

Nach dem Chemiestudium in Ulm und München und Forschungsarbeiten in München und Los Angeles folgte Lill dem Ruf nach Marburg: „Als ich 1996 die Professur in Marburg bekam, war ich auf der Suche nach einer bis dato unbeantworteten Frage“, sagt Lill.

Er fand Fragen und kurz danach auch ihre Antworten: „Biochemiker hatten Anfang der 60er-Jahre sogenannte Eisen-Schwefel-Proteine entdeckt. Diese Proteine sind an einer ganzen Reihe lebenswichtiger zellulärer Prozesse beteiligt, beispielsweise an der Zellatmung, der Bildung neuer Proteine oder an der Synthese und der ständigen Reparatur unseres Erbguts, der DNA“, sagt Roland Lill.

Allerdings wusste man zu diesem Zeitpunkt noch nicht, wie die Zelle die Eisen-Schwefel-Verbindungen herstellt, die die lebenswichtigen Funktionen der Proteine erst ermöglichten. Ein anderes Rätsel führte zur Lösung: Zellbiologen hatten festgestellt, dass Hefezellen ohne Mitochondrien nicht lebensfähig ist: Klar, die „Kraftwerke der Zelle“ produzieren ja den Energieträger ATP – das Benzin der Zelle –, so dachte man zunächst.

Allerdings kann die Zelle auch ohne Mitochondrien ATP herstellen. Sie ist zwar nicht ganz so effektiv, aber zum Überleben reicht es. Und wofür braucht die Zelle die Mitochondrien dann zum Überleben?

1999 liefert er Beleg für Eisen-Schwefel-Proteinen-Bildung

Roland Lill sah als Erster die Lösung des Rätsels. Im Jahre 1999 lieferte er den Beleg dafür, dass Mitochondrien ein komplexes Netzwerk von 17 Eiweißmolekülen enthalten, die an der Herstellung der Eisen-Schwefel-Proteine beteiligt sind.
 Ein sogenannter ABC-Transporter, das Molekül ATM1, sitzt innerhalb der Membran, also der Hülle, die das Mitochondrium umgibt und befördert Schwefel-Komponenten – X-S genannt – nach außen in das Cytosol (Zellsaft) der Zelle.
Erst vor einigen Jahren, rund 15 Jahre später konnte seine Forschungsgruppe beschreiben, wie die genaue Struktur des Transporters aussieht. „Das ist schwierig, weil man dafür das ATM1 aus der Membran lösen muss, ohne es selbst zu zerstören. Wir brauchten einen Fettlöser für die Lipid-Membran. Eine Art Zellmembran-Spülmittel.“

Immer wenn die bisherigen Methoden der Wissenschaft nicht ausreichten, um genauer hinsehen zu können, entwickelte Lill mit seinem Team die Methoden weiter.  Die Wissenschaftler legten auch ein Modell vor, wie der Transport von X-S durch die Membran vonstattengeht:

Demnach lagert sich das Transportgut zwischen die Schenkel von ATM1, die sich dadurch wie eine Wäscheklammer nach außen öffnen. „Nur eine Blamage bleibt“, Lill grinst, „die genaue chemische Natur des geheimnisvollen schwefelhaltigen Moleküls X-S selbst kennen wir immer noch nicht.“

Das Molekül ist zu klein und zu instabil für heutige Messmethoden. Aber Lill hat den Ehrgeiz, diese Struktur noch aufzuklären.

Fest steht aber, die Schwefel-Vorstufe X-S wird zum Aufbau kleiner Eisen-Schwefel-Cluster, also winziger würfelförmiger Eisen-Schwefel-Moleküle im Cytosol benutzt (siehe kl. Bild unten links). Diese Mini-Würfel (manchmal sind sie eher rautenförmig) binden dann an Proteine. Fertig sind die Eisen-Schwefel-Proteine (chemisch kurz: Fe/S-Proteine), die für das Wachstum der Zelle und die Stabilität unseres Erbguts unverzichtbar sind.

Hintergrund: "Qualifizierte Zuwanderung"
Von der „Endo-Symbionten-Hypothese“ könnte man schon mal gehört haben, wenn man sich für die menschliche Zelle interessiert. Demnach sollen vor etwa ein bis zwei Milliarden Jahren Vorläuferzellen unserer heutigen Zellen, freilebende bakterienartige Einzeller in sich aufgenommen haben. Eine „Win-win“-Situation: In der Folge bildete sich eine enge Symbiose zwischen der Wirtszelle und den „Endosymbionten“. Der Nutzen für die Wirtszelle war zum Beispiel, dass einige der Einzeller viel effektiver Energie oder Proteine herstellen konnten als die Zelle selber. Das waren die Vorläufer der Mitochondrien, wie wir sie heute kennen.

Mit der Erkenntnis, dass die Zelle ohne die Mitochondrien keine Eisen-Schwefel-Proteine produzieren kann, war Roland Lill der Begründer des Forschungsschwerpunktes „Eisen-Schwefel-Protein-Biogenese“ (Biogenese = „Entstehung einer biologischen Struktur“).

In der Folge schlug Lill zwei Rufe auf Lehrstühle der Universitäten in Regensburg und Heidelberg aus. „Ich hatte immer gute Bedingungen in Marburg“, sagt der Wissenschaftler heute.

30 Aminosäuren in Marburg entdeckt

In 20 Jahren haben Lill und sein Team hier nahezu die gesamte Zell-Fabrik der Eisen-Schwefel-Cluster-Herstellung entdeckt und beschrieben.

Über 20 der 30 Eiweißmoleküle, die an dem Prozess beteiligt sind, wurden hier in Marburg entdeckt. Insgesamt 20 davon sitzen im Mitochondrium und gehören zur ISC-Maschine (ISC: iron-sulfur-cluster). Zehn von ihnen bauen außerhalb des Mitochondriums im Cytosol an den Eisen-Schwefelwürfeln. Sie sind Bestandteil des sogenannten CIA-Systems (cytosol-iron-sulfur-cluster-assembly = Montage der Eisen-Schwefel-Cluster im Zellsaft), das Lill so genannt hat, nachdem er sich bei einem US-Kollegen abgesichert hatte: „Dann steht die Abkürzung endlich mal für etwas Gutes“, sagte dieser schmunzelnd zu Lill.

Die Entdeckung jedes weiteren Bestandteils, der an dem Gesamtprozess beteiligt ist, ist von den Größenverhältnissen wie eine Expedition in den Weltraum – in dem Fall eben von Marburg in den Mikrokosmos.
Eine Reise, die sich lohnt. Lills Grundlagenforschung führte mit der Zeit zu einem besseren Verständnis sehr seltener, aber sehr schwerwiegender Erkrankungen. „Die fehlerhafte Biogenese von Fe/S-Proteinen kann zu erblich bedingten Erkrankungen des Nervensystems oder Erkrankungen des Blutes führen, die oft schon im Kindesalter zum Tod führen“ sagt Roland Lill.

Die Medizin interessiert auch das bessere Verständnis der DNA-Reparatur-Mechanismen, an denen die Fe/S-Proteine beteiligt sind. Schädigungen der DNA und Störungen ihrer Reparatur sind typische Ursachen von Tumorerkrankungen.

Zur Person
Roland Lill ist nicht nur Forscher, sondern auch Wissenschaftsmanager. Von 2003 hat er den „Sonderforschungsbereich 593“ zu Zellmechanismen und deren krankheitsrelevanten Veränderungen in Marburg geleitet, der in diesem Jahr ausgelaufen ist. Er wird von der Max-Planck-Gesellschaft untersützt, sitzt im Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft und ist Gründungsmitglied des Loewe-Zentrums für Synthetische Mikrobiologie (Synmikro).

von Tim Gabel

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