Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltweit erstes 3D-Modell einer Synapse

30.05.2014

Blick in eine neue Welt der Neurowissenschaften: Göttinger Forscherteam um Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli gelingt erste wissenschaftlich fundierte 3D-Darstellung einer Synapse. Veröffentlicht am 30. Mai 2014 in SCIENCE.

Ohne Synapsen funktioniert das Gehirn nicht. Sie sind die Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Bislang waren Aufbau und Ausstattung dieser hochkomplexen Strukturen der Wissenschaft im Detail nicht bekannt.


Weltweit erstes 3D-Modell einer Synapse. Die Rekonstruktion einer Synapse im Querschnitt zeigt 60 verschiedene Proteine, die zusammen über 300.000 einzelne Proteinkopien in der Synapse ergeben.

Burkhard Rammner

Einem Göttinger Forscherteam um Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli vom DFG Forschungszentrum und Exzellenzcluster für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) ist es jetzt erstmals gelungen, alle wichtigen Bausteine einer Synapse in korrekter Anzahl und Position zu bestimmen.

Die Forscher konnten so das erste wissenschaftlich fundierte 3D-Modell einer Synapse erstellen. Möglich wurde das Projekt durch die Zusammenarbeit mehrerer Spezialisten auf den Gebieten der Elektronenmikroskopie, hochauflösenden Lichtmikroskopie (STED), Massenspektrometrie und quantitativen Biochemie. Beteiligt waren Kooperationspartner aus der UMG, dem Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen, und dem Leibniz Institut für Molekulare Pharmakologie, Berlin.

Gefördert wurden die Forscher unter anderem vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die Ergebnisse sind am 30. Mai 2014 in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift SCIENCE erschienen. Das von den Göttinger Forschern erarbeitete 3D-Modell einer Synapse wurde aufgrund der breiten Relevanz des Themas zum Coverbild dieser Magazin-Ausgabe ausgewählt.

Originalpublikation
Wilhelm BG, Mandad S, Truckenbrodt S, Kröhnert K, Schäfer C, Rammner B, Koo SJ, Claßen GA, Krauss M, Haucke V, Urlaub H, Rizzoli SO (2014) Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking proteins. SCIENCE, 30. Mai 2014.

NEUE, BISLANG UNBEKANNTE WELT
"Mit dem 3D-Modell einer Synapse eröffnet sich den Neurowissenschaften der Blick in eine neue und bisher unbekannte Welt", sagt Prof. Dr. Rizzoli, Senior-Autor der Publikation. Ungeklärt war bisher vor allem die Anzahl und Verteilung der Proteine, den Bausteinen der Zelle. Das von Prof. Rizzoli und seinem Team präsentierte Modell einer Synapse beschreibt gleich mehrere hunderttausend einzelne Proteine in korrekter Anzahl und an ihrer genauen Position in einer Nervenzelle.

"Anhand des 3D-Modells der Synapse können wir nun erstmals zeigen, dass Proteine in ganz unterschiedlicher Anzahl für die verschiedenen Vorgänge innerhalb der Synapse benötigt werden", sagt Dr. Benjamin G. Wilhelm, Erst-Autor der Publikation. Die Forscher fanden heraus: Proteine, die an der Ausschüttung von Botenstoffen (Neurotransmitter) aus den sogenannten synaptischen Vesikeln beteiligt sind, liegen mit bis zu 26.000 Kopien in jeder Synapse vor. Dagegen sind Proteine, die für den gegenläufigen Vorgang, das Recycling von synaptischen Vesikeln, zuständig sind, lediglich mit 1.000 bis 4.000 Kopien pro Synapse vertreten.

Mit diesen Details liefert das Synapsen-Modell auch weiteren Aufschluss zu einer in der Neurowissenschaft lange diskutierten Kontroverse: Wie viele synaptische Vesikel können in einer Synapse gleichzeitig verwendet werden? Die Göttinger Forschungsergebnisse zeigen: Es sind mehr als genug Proteine für die Vesikel-Freisetzung vorhanden. Doch die für das Recycling vorhandenen Proteine reichen nur für sieben bis elf Prozent aller Vesikel in der Synapse aus. Das bedeutet, dass der Großteil der Vesikel einer Synapse nicht gleichzeitig genutzt werden kann.

Die wichtigste Erkenntnis, die das neue Modell liefert: In Abläufen, an denen viele verschiedene Proteine beteiligt sind, ist die Anzahl dieser Proteine erstaunlich genau aufeinander abgestimmt. Die Bausteine der Zellmaschinerie greifen hier wie in einer hocheffizienten Maschine ineinander, ohne Überproduktion oder Verschwendung. Die verschiedenen Proteine unterliegen völlig unterschiedlichen Transportmechanismen und besitzen zudem eine stark voneinander abweichende Lebensdauer. Wie die Zelle also diese erstaunliche Feinabstimmung so erfolgreich bewerkstelligt, bleibt unklar.

Das neue Modell kann in Zukunft als Referenzquelle für Neurowissenschaftler aller Sparten dienen. Es kann dabei helfen, Forschung zielgerichteter durchzuführen, da die Anzahl an Kopien eines Proteins Rückschlüsse auf seine Relevanz zulässt. Das Forscherteam will hier allerdings nicht Halt machen. Prof. Rizzoli: "Unser Ziel ist es, letztendlich eine komplette Nervenzelle zu rekonstruieren". Kombiniert mit funktionellen Studien zur Wechselwirkung einzelner Proteine wäre es damit in Zukunft möglich, zelluläre Funktionen zu simulieren und letztendlich eine "virtuelle Zelle" zu erschaffen.

Eine Videoanimation des Forscherteams zeigt die Proteinvielfalt innerhalb einer Synapse und deren Aufbau (www.sciencemag.org).

Für seinen Ansatz zur Erforschung der molekularen Anatomie von Nervenzellen ist Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli Anfang des Jahres 2014 mit dem ERC Consolidator Grant 2013 ausgezeichnet worden. "Das Ergebnis der Forschungsarbeiten von Prof. Rizzoli ist spektakulär", sagt Prof. Dr. Heyo Kroemer, Sprecher des Vorstandes der UMG und Dekan der Medizinischen Fakultät. "Mit dieser hochpräzisen Synapsendarstellung bieten sich der medizinischen Forschung in naher Zukunft völlig neue Ansatzmöglichkeiten. Auch dieses Ergebnis belegt, dass die Universitätsmedizin Göttingen attraktive Rahmenbedingungen für internationale Spitzenforschung bietet." Prof. Dr. Mathias Bähr, Sprecher des CNMPB, sagt: "Wir freuen uns, dass es Prof. Rizzoli so schnell gelungen ist, seine Vorhaben so erfolgreich umzusetzen. Diese Studie trägt dazu bei, die generelle Proteinverteilung in gesunden Nervenzellen zu verstehen. Dies kann in Zukunft auch dazu beitragen, Veränderungen in der neuronalen Anatomie zu identifizieren, die durch neurodegenerative Erkrankungen, wie dem Morbus Parkinson, entstehen."

WEITERE INFORMATIONEN:
Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie
European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G), Grisebachstr. 5, 37077 Göttingen
Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli, Telefon +49 (0) 551 39-33630
srizzol@gwdg.de

CNMPB - Zentrum für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns Exzellenzcluster 171 - DFG-Forschungszentrum 103
Humboldtallee 23, 37073 Göttingen
Dr. Heike Conrad, Telefon 0551 / 39-7065
Wissenschaftliche Koordination, Presse und Öffentlichkeitsarbeit
heike.benecke@med.uni-goettingen.de

Weitere Informationen:

http://www.rizzoli-lab.de - zur Arbeitsgruppe von Prof. Rizzoli
http://www.cnmpb.de - zum Exzellenzcluster und DFG-Forschungszentrum Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB)
http://www.sciencemag.org/content/344/6187/1023/suppl/DC1 - zur Videoanimation

Dr. Heike Conrad | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Proteine entdecken, zählen, katalogisieren
28.06.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Chemisches Profil von Ameisen passt sich bei Selektionsdruck rasch an
28.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

EUROSTARS-Projekt gestartet - mHealth-Lösung: time4you Forschungs- und Entwicklungspartner bei IMPACHS

28.06.2017 | Unternehmensmeldung

Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Scheinwerfer-Dimension: Volladaptive Lichtverteilung in Echtzeit

28.06.2017 | Automotive