Project

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Efficient cryo electron microscopy of macromolecular assemblies and membrane proteins

English title Efficient cryo electron microscopy of macromolecular assemblies and membrane proteins
Applicant Maier Timm
Number 177084
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Biozentrum der Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.09.2018 - 29.02.2020
Approved amount 1'000'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Molecular Biology
Biophysics

Keywords (7)

Secretion Systems; Multienzyme; Electron Microscopy; Structural Biology; Macromolecular Assemblies; Membrane Proteins; mTOR

Lay Summary (German)

Lead
Die elektronenmikroskopische Analyse bei Tieftemperaturen erlaubt auf einzigartig effiziente Weise die Aufklärung der Struktur und funktionaler Mechanismen von Proteinkomplexen und Membranproteinen. Sie trägt so zu einem vertieften Verständnis molekularer Prozesse bei, die von wesentlicher Bedeutung für die menschliche Gesundheit sind.
Lay summary

Die Strukturuntersuchung von Proteinen hat in den vergangenen Jahrzehnten einen wesentlichen Beitrag zu einem molekularen Verständnis des Lebens geleistet. Viele besonders grosse und dynamische Proteine und Proteinkomplexe, insbesondere menschliche Proteine, sowie Membranproteine, liessen sich jedoch lange Zeit nicht effizient untersuchen. In den letzten Jahren jedoch haben technische Fortschritte in der Bilddetektion und der Computeranalyse zu einem Durchbruch in der Anwendung der Elektronenmikroskopie bei Tieftemperaturen (CryoEM) zur Strukturaufklärung geführt. Dank dieser Entwicklung ist CryoEM eine effiziente Methode zur Untersuchung komplexer Biomakromoleküle, die allerdings noch immer ein aufwendiges Entwickeln optimaler Probenbedingungen erfordert.

In diesem Projekt planen wir die Anschaffung und den Betrieb eines effizienten Cryo-Elektronenmikroskops mit neuester Detektortechnologie und einem hohen Probendurchsatz dank eines Probenwechslers. Dieses Mikroskop ermöglicht das Optimieren der Analysebedingungen für komplexe Proben und ermöglicht die Strukturaufklärung bei hoher Auflösung.   

Das zu beschaffende Elektronenmikroskop wird einer Vielzahl von Projekten im Bereich der molekularbiologischen Grundlagenforschung dienen. Das Projekt ermöglicht besonders die Bearbeitung herausfordernder Proben mit hoher Relevanz für die menschliche Gesundheit und bakterielle Pathogenese. Es dient zur Untersuchung von regulatorischen Proteinen in menschlichen Stoffwechselwegen, deren Fehlsteuerung in einem Zusammenhang zur Krebsentstehung steht. Auch bakterielle Proteinkomplexe und Membranproteine, die zu Infektionen beitragen oder Ziele für Antibiotika sind, stehen im Fokus. 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 22.01.2018

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Natural persons


Name Institute

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Markus Seeger Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
VBC cryo-EM Symposium Talk given at a conference The structural basis for regulating acetyl-CoA carboxylase, the rate-limiting enzyme of fatty acid biosynthesis 14.02.2020 Vienna, Austria Maier Timm;
Drug Discovery 2019 Talk given at a conference Novel opportunities for targeting metabolic regulation from imaging macromolecular assemblies 05.11.2019 Liverpool, Great Britain and Northern Ireland Maier Timm;


Awards

Title Year
Sanofi-Institut Pasteur International Junior Award 2019

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159696 Multienzymes in Lipid and Polyketide Biosynthesis 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
170607 Structure and mechanism of the cell wall biogenesis machinery from Gram-positive pathogenic bacteria 01.07.2017 SNSF Professorships
164074 Cryo-Electron Microscopy in the ZMB of the University of Basel 01.06.2016 R'EQUIP
159525 Molecular mechanisms of force generation and protein translocation by contractile tails 01.02.2016 Project funding (Div. I-III)
167883 Structure, function and dynamics of the Ragulator multiprotein complex 01.01.2017 Ambizione
166164 High-Resolution Membrane Protein Structures by Cryo-EM 01.04.2016 Project funding (Div. I-III)
155778 Dynamics of the bacterial Type VI secretion system assembly and substrate delivery 01.09.2015 Temporary Backup Schemes

Abstract

Novel developments in instrumentation and software for cryo electron microscopy have resulted in a “resolution revolution” and have transformed this technique into the most efficient method for high-resolution structure determination of larger biological macromolecules. We are applying cryo electron microscopy to study biological macromolecular assemblies, such as mTOR complexes, highly-regulated multienzymes of human metabolism, polyketide synthases and bacterial Type 6 secretion systems as well as membrane proteins. Understanding the architecture, dynamics and functional mechanisms of these complex target molecules is of highest relevance for fundamental molecular biology, with direct relevance also for cancer therapy and the fight against antibiotic resistance. Despite all progress in electron microscopy methods, extensive sample screening is required for highest resolution analysis. In particular, highly dynamic assemblies and transient complexes affected by conformational and compositional heterogeneity remain a challenge for structural analysis. Here, sample quality often limits the final resolution of structure determination and consequently the quality of mechanistic insights. Often, careful sample stability assays, stabilization by specific or unspecific crosslinking and exhaustive testing of sample vitrification and grid preparation are required to obtain useful results. Here, we request funding for a highly efficient FEG electron microscope with direct electron detector and multi-sample loader for sample screening and analysis. This instrument shall permit high-resolution sample analysis and characterization crucial for the detection of e.g. presence of small protein binding partners, conformational homogeneity, as well as successful trapping and stabilization of specific biological states of the target molecules. Overall, this instrument will uniquely contribute to moving cellular biology analysis to molecular resolution.
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