Dr. Daniel Roderer ist Nachwuchsgruppenleiter am Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie. Daniels Gruppe „Structure and mechanism of microbiome-driven diseases“ verwendet unter anderem Kryoelektronenmikroskopie, um molekulare Prozesse zwischen Bakterien des Darmmikrobioms mit Zellen des Dickdarms aufzuklären, die potenziell Teil eines krankhaften Mechanismus sind.
Dr. Daniel Roderer, Nachwuchsgruppenleiter am Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (2022); Quelle: Wirkstoffradio CC-BY 4.0
Im Rahmen einiger schwerer Erkrankungen, wie zum Beispiel Dickdarmkrebs bilden sich Interaktionen von Krebszellen mit Bakterien des Mikrobioms aus, die die Progression dieser Erkrankungen verschlimmern bzw. beschleunigen können. Die Interaktionen zwischen Bakterien und Zellen werden häufig durch Proteinkomplexe an der Berührungsebene zwischen den beiden Organismen gebildet. Für ein tieferes Verständnis der resultierenden Krankheiten ist ein detailliertes Bild der Komplexe notwendig, um Wirkstoff-basierte Therapien entwickeln zu können.
(Im Podcast gibt es Kapitelmarken, die den Zwischenüberschriften hier im Text entsprechen, so dass es einfacher ist, bestimmte Teile erneut zu hören. Nicht jede Kapitelmarke hat eine Zwischenüberschrift, manchmal fassen wir mehrere Kapitel zusammen.)
Was ist das Mikrobiom?
Mikrobiom – Wikipedia ArtikelDickdarm – Wikipedia ArtikelHaut – Wikipedia ArtikelMund – Wikipedia ArtikelSpeichel – Wikipedia ArtikelZahnbelag – Wikipedia ArtikelMagen – Wikipedia ArtikelDünndarm – Wikipedia ArtikelBlut – Wikipedia ArtikelBlutvergiftung – Wikipedia ArtikelStoffwechselprodukt – DocCheck FlexikonButyrate – Wikipedia ArtikelPflanzenfasern – Wikipedia Artikelwissenschaftlicher Artikel (closed access): Gilbert, J., Blaser, M., Caporaso, J. et al. Current understanding of the human microbiome. Nat Med 24, 392–400 (2018). Die Studie befindet sich leider hinter einer Paywall, ist also nur für diejenigen zugänglich, die ein Abo der entsprechenden Fachzeitschrift haben. Daher werden wir nicht direkt auf den Artikel verlinken, sondern stellen euch den „Digital Object Identifier (DOI)“ zur Verfügung: 10.1038/nm.4517wissenschaftlicher Artikel (closed access): Sonnenburg, E.D., Sonnenburg, J.L. The ancestral and industrialized gut microbiota and implications for human health. Nat Rev Microbiol 17, 383–390 (2019). Die Studie befindet sich leider hinter einer Paywall, ist also nur für diejenigen zugänglich, die ein Abo der entsprechenden Fachzeitschrift haben. Daher werden wir nicht direkt auf den Artikel verlinken, sondern stellen euch den „Digital Object Identifier (DOI)“ zur Verfügung: 10.1038/s41579-019-0191-8Wechselwirkungen zwischen Mensch und Mikrobiom im Dickdarm; Quelle: Daniel Roderer, CC-BY 4.0
Die dunkle Seite des Mikrobioms
Entzündung – Wikipedia ArtikelTumor – Wikipedia ArtikelEscherichia coli (EColi) – Wikipedia ArtikelColibactin – Wikipedia Artikel (englisch)Darmkrebs, Kolorektales Karzinom – Wikipedia ArtikelFusobacterium nucleatum – DocCheck FlexikonBacteroides fragilis – Wikipedia ArtikelEnterococcus faecalis – Wikipedia ArtikelMorbus Crohn – Wikipedia Artikelwissenschaftlicher Artikel (open access): Wirbel, J. et al.: Meta-analysis of fecal metagenomes reveals global microbial signatures that are specific for colorectal cancer. Nat Med. 2019 Apr;25(4):679-689. DOI: 10.1038/s41591-019-0406-6Funktion des Adhäsins
Adhäsine – Wikipedia ArtikelAdhäsion – Wikipedia ArtikelNatural killer cell (NK-Zelle) – Wikipedia ArtikelExkurs Biofilm
Biofilm – Wikipedia ArtikelExtrazelluläre Matrix – Wikipedia ArtikelSchleimhaut oder Mukosa – Wikipedia ArtikelToxin – Wikipedia ArtikelDie dunkle Seite des Mikrobioms II
Bakterielle Proteinsekretion – Wikipedia ArtikelTranslokation (Genetik) – Wikipedia ArtikelRezeptor (Biochemie) – Wikipedia ArtikelPore – Wikipedia ArtikelStuhltransplantation – Wikipedia ArtikelCryo-EM zur molekularen Analyse des Mikrobioms
Kryoelektronenmikroskopie (Cryo-EM) – Wikipedia ArtikelProteinkomplex – Wikipedia ArtikelKristallstrukturanalyse – Wikipedia ArtikelWSR011 Proteinstrukturen aufklären mit der Röntgenkristallographie – Interview mit Dr. Yvette Roske – Link zur EpisodeTomografie – Wikipedia ArtikelÅngström (Einheit) – Wikipedia ArtikelSchematische Darstellung der Probe auf einem Cryo-EM Probenträger; Quelle: Daniel Roderer, CC-BY 4.0
Vorteile der Cryo-EM
wissenschaftlicher Artikel (closed access): Kühlbrandt W. The Resolution Revolution. Science 2014;3431443–1444. Die Studie befindet sich leider hinter einer Paywall, ist also nur für diejenigen zugänglich, die ein Abo der entsprechenden Fachzeitschrift haben. Daher werden wir nicht direkt auf den Artikel verlinken, sondern stellen euch den „Digital Object Identifier (DOI)“ zur Verfügung: 10.1126/science.1251652.Hier noch ein Link des EMBL zum PDF des Artikels: The Resolution RevolutionKernspinresonanzspektroskopie (NMR) – Wikipedia ArtikelAtomare Masseneinheit (Dalton Da) – Wikipedia ArtikelWas wird durch die Cryo-EM detektiert
Scanning- (SEM) oder Rasterelektronenmikroskopie (REM) – Wikipedia ArtikelTransmissionselektronenmikroskopie – Wikipedia ArtikelTransmissionselektronenmikroskopie – Wikibrief ArtikelStrahlungsdetektor – Wikipedia ArtikelBeispiel für Cryo-EM Aufnahmen und den weiteren 2D bzw 3D Klassifizierungen: Filament-bildendes Adhäsin eines Darmkrebs-assoziierten Bakteriums im Mikrobiom; Quelle: Daniel Roderer, CC BY 4.0 .
Wie sieht eine Cryo-EM Probe aus?
Vitrifizierung – Wikipedia ArtikelA: Daniel am Vitrobot beim Vitrifizieren der Probe; B: Probenträger (Grid); C: Lage des Probenträger (roter Kreis) im Vitrobot; Quelle: Wirkstoffradio CC BY 4.0
Einzelpartikel Analyse der Cryo-EM
Kontrast – Wikipedia ArtikelElektronendichte – Wikipedia ArtikelBlotting – Wikipedia ArtikelProjektion (Optik) – Wikipedia ArtikelAnisotropie – Wikipedia ArtikelKryoelektronentomographie – Wikipedia ArtikelDeep Learning – Wikipedia ArtikelWie wird bei der Cryo-EM detektiert?
Elektronenstreuung – Wikipedia ArtikelSpeicherbedarf der Cryo-EM
Film – Wikipedia ArtikelDenaturierung – Wikipedia ArtikelIn der Regel werden nicht nur einzelne Bilder aufgenommen, sondern kurze Filme mit 40-60 Einzelaufnahmen registriert. Jeder Film ist zwischen 300-600MB groß. Für eine komplette Messung mit ca. 4000 einzelnen Filmsequenzen resultiert ein Gesamtspeicherbedarf von etwa 2TB nur für diese Rohdaten.
Flexibilitätsproblem
Protein – Wikipedia ArtikelElastizität (Physik) – Wikipedia ArtikelIntrinsisch ungeordnete Proteine – Wikipedia ArtikelProteindomäne – Wikipedia ArtikelSekundärstruktur – Wikipedia ArtikelSeitenkette – Wikipedia Artikel Von der Einzelpartikel zur Cryotomographie Methode
Kryoelektronentomographie – Wikipedia ArtikelElectron cryotomography – Wikipedia Artikel (english)Review zur Kryoelektronentomographie und dem „missing-wedge problem“; wissenschaftlicher Artikel (open access): Lučič V, Rigort A, Baumeister W. Cryo-electron tomography: the challenge of doing structural biology in situ. J Cell Biol. 2013 Aug 5;202(3):407-19. doi: 10.1083/jcb.201304193. PMID: 23918936; PMCID: PMC3734081Focused Ion Beam – (FIB) Wikipedia Artikel
„FIB milling“ bedeutet, dass ein Elektronenstrahl, benutzt wird um sehr dünne Probenscheiben zu erhalten.
wissenschaftlicher Artikel (open access): Hayles MF, DE Winter DAM. An introduction to cryo-FIB-SEM cross-sectioning of frozen, hydrated Life Science samples. J Microsc. 2021 Feb;281(2):138-156. doi: 10.1111/jmi.12951. Epub 2020 Aug 24. PMID: 32737879; PMCID: PMC7891420Cryo-EM am Campus Buch
Elektronenmikroskopie – Charité – Universitätsmedizin BerlinForschungszentrum für Elektronenmikroskopie (FZEM) – FU BerlinGrößenvergleich links Titan Krios (G3i ThermoFischer) rechts Wissenschaftler (Daniel); Quelle: Wirkstoffradio CC BY 4.0
Warum Filme und nicht Bilder?
Drift (Messtechnik) – Wikipedia ArtikelElektronenstrahl – Wikipedia ArtikelQuerprofil (Strahlentherapie) – Wikipedia ArtikelDaniels Forschungsprojekte
Darmschleimhaut oder Darmepithel – Wikipedia ArtikelRezeptor (Biochemie) – Wikipedia ArtikelStrukturbiologie – Wikipedia ArtikelNanodisc – Wikipedia Artikel (englisch)Affinität (Chemie) – Wikipedia ArtikelIn vivo – Wikipedia ArtikelAktinfilament – DocCheck FlexikonActinfilament – Spektrum der WissenschaftProtease – Wikipedia ArtikelSignaltransduktion – Wikipedia ArtikelSignalkaskade – DocCheck Flexikonwissenschaftlicher Artikel (open access): Roderer D, Hofnagel O, Benz R, Raunser S. Structure of a Tc holotoxin pore provides insights into the translocation mechanism. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Nov 12;116(46):23083-23090. doi: 10.1073/pnas.1909821116.Cryo-EM Dichtekarte TC Toxin in unterschiedlichen Ausführungen; Quelle: Daniel Roderer
Werdegang von Daniel
Biochemie – Wikipedia ArtikelBiologie – Wikipedia ArtikelMikrobiologie – Wikipedia ArtikelUniversität Regensburg – Wikipedia Artikeluni-regensburg – HompageETH Zürich – Wikipedia Artikelethz.ch – HompageMax-Planck-Institut für molekulare Physiologie – HomepageProf. Dr. Stefan Raunser – HomepageMax-Planck-Institut für molekulare Physiologie – Wikipedia Artikelmpi-dortmund.mpg.de – HomepageDanielRoderer@FMP – HomepageEin kleines Haus für ein großes Mikroskop – MDC Pressemitteilungscanning Elektronenmikroskop – Wikipedia ArtikelFocused Ion Beam oder Zweistrahlmikroskop – Wikipedia ArtikelWSR052 Die Rolle der Membran in der zellulären Signalübertragung – Interview mit Prof. Dr. Volker Haucke – link zur EpisodeExkurs Beschleunigungsspannung bei der EM
Beschleunigungsspannung – Wikipedia ArtikelKontrast – Wikipedia ArtikelDaniels Lieblingsmolekül
Graphen – Wikipedia ArtikelValenzstrichformel von Graphen; Quelle: Yikrazuul, Public domain, via Wikimedia Commons
Daniel beschreibt, wie der Probenträger mit Graphen beschichtet wird, um Probenpartikel besser an das Grid binden zu können.
Wir bedanken uns ganz herzlich bei Dr. Daniel Roderer für die Zeit und seine Erläuterungen zu seinem Forschungsgebiet.
Wir freuen uns immer über Feedback: per Mail unter [email protected], in den Kommentaren unter den einzelnen Episoden, über Twitter @wirkstoffradio oder auch als Bewertung bei iTunes/Apple-Podcasts oder panoptikum.social.
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Bernd Rupp
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