Dr. Natalie Krahmer

Proteomik: Blick in die Mannschaftsaufstellung der Zelle – welches System wird gespielt?

Kontakte, sich verändernde Räume, Interaktion, Zusammenspiel – es klingt wie eine Taktikbesprechung bei ihrem Lieblingssport Fußball, wenn Dr. Natalie Krahmer über ihre Forschung spricht. Mittels Proteomik analysiert sie das Innere einer Zelle. Dabei interessiert sie vor allem, wie sich die Organisation einzelner Zellkompartimente bei der Entwicklung von Stoffwechselerkrankungen verändert und welche Signalwege dabei aktiv sind. Seit Januar 2019 leitet sie am Helmholtz Zentrum München eine durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Emmy Noether* Nachwuchsgruppe, für die sie 1,8 Millionen Euro Fördermittel für sechs Jahre erhält.

Dr. Natalie Krahmer. © Helmholtz Zentrum München

Die einzelnen Organellen einer Zelle besitzen funktionell unterschiedliche Kompartimente für verschiedene biochemische Reaktionen und sind hochdynamische Strukturen. Durch Veränderung der Protein- und Lipidzusammensetzung, biochemische Aktivitäten oder die Interaktion mit anderen Organellen sind sie in der Lage, sich wechselnden Umweltanforderungen anzupassen. Herrscht jedoch ein dauerhaftes Überangebot an Nährstoffen, stellt das für die Zellen Stress dar. Die Folge sind Fettleibigkeit und metabolische Erkrankungen, wie beispielsweise Diabetes.

Die Spielzüge der Organellen erforschen

Hier will Krahmer mit ihrer Nachwuchsgruppe ansetzen: Durch das Kombinieren von Proteomik** und Zellbiologie will sie vor allem die Veränderungen in der subzellulären Organisation bei der Entstehung metabolischer Erkrankungen und im Speziellen bei der nichtalkoholischen Fettleber (hepatische Steatose) aufzeigen.   

„Es ist immer noch nicht vollständig entschlüsselt, wie sich bei der Entstehung metabolischer Erkrankungen die Interaktion der Zellorganellen untereinander ändert, wie deren Neuorganisation abläuft und wie diese Vorgänge in verschiedenen Organen und Geweben durch Proteine und Signalwege kontrolliert werden. Mit Proteomik möchten wir der Aufklärung dieser Prozesse ein Stück näherkommen und verstehen, was in der Zelle passiert, wenn sich Lipide anreichern oder eine Insulinresistenz bzw. Diabetes entsteht“, beschreibt die Wissenschaftlerin ihre Zielsetzung.

An Proteomik begeistert sie vor allem die Möglichkeit, alle Proteine der Zelle auf einmal anzusehen. „Uns gelingt damit ein völlig unvoreingenommener Blick in die Zelle, wodurch wir häufig komplett neue, überraschende Erkenntnisse wie zum Beispiel neue Zielstrukturen für Arzneimittel gewinnen können“, erläutert Krahmer.

Mit ihrer Nachwuchsgruppe will die Forscherin an frühere Erkenntnisse anknüpfen. Diese hatten gezeigt, dass eine übermäßige zelluläre Lipidanreicherung wie bei einer Fettleber auch das Zusammenspiel der Organellen untereinander verändert und die Sekretionswege in der Leber beeinträchtigt. Mittels Massenspektrometrie und neuartigen, phospho-proteomischen Workflows will sie zudem noch unbekannte, für die Signalwege und Resistenz des Sättigungshormons Leptin verantwortliche Proteine identifizieren.  

Begeisterung für die Interaktion von Proteinen und Zellorganellen

Zum Spezialgebiet der Proteinbiochemie kam sie ganz zufällig während eines Praktikums im Rahmen ihres Biologiestudiums an der Technischen Universität München (TUM). Dieses absolvierte sie im Labor von Prof. Dr. Peter Walter an der University of California in San Francisco. „Wir haben dort untersucht, wie sich die Proteine im endoplasmatischen Retikulum falten. Ich fand es auf Anhieb sehr spannend, zu sehen, was in der Zelle passiert und wie Proteine und Zellorganellen miteinander interagieren“, berichtet Krahmer. Diese Begeisterung spiegelt sich auch in den weiteren Stationen ihres Lebenslaufs wider. So befasste sie sich während ihrer Doktorarbeit mit Prof. Dr. Tobias Walther am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried und der Yale School of Medicine mit der Frage, wie Proteine an die Lipidspeicher in der Zelle binden und wie dies reguliert wird.

Als Postdoc im Max-Planck-Labor des weltweit für seine Proteomik-Forschung bekannten Prof. Dr. Matthias Mann gelang ihr ein besonderer Meilenstein: „Bei der Analyse einzelner Zellorganellen einer Fettleber haben wir herausgefunden, dass sich der für die Sekretion wichtige Golgiapparat auflöst und komplett an die Lipide bindet, wenn sich zu viele Lipide in der Leber angesammelt haben. Das war bislang überhaupt nicht bekannt und zeigt, wie stark die Zellorganellen durch äußere Einflüsse beeinträchtigt werden“, sagt Krahmer. „Früher wurden mit Mikroskopie einzelne Proteine in der Zelle isoliert betrachtet. Mit Proteomik können wir heute alle Proteine und deren Interaktion mit den Zellorganellen zum selben Zeitpunkt unter der gleichen Bedingung einsehen. Dadurch wird es möglich, solche generellen Effekte leichter herauszufinden, als beim Betrachten einzelner Proteine.“

Proteinchemie als Taktik für die Entschlüsselung von metabolischen Vorgängen bei der Entstehung von Diabetes

Krahmers Nachwuchsgruppe ist am Institut für Diabetes und Adipositas (IDO) des Helmholtz Zentrums München angesiedelt. Mit ihrer Spezialisierung auf Proteomik will sie künftig auch die metabolischen Vorgänge bei der Entstehung von Diabetes unter die Lupe nehmen. „Ich habe das Gefühl, dass im Bereich der Diabetesforschung bislang noch relativ wenig Proteomik angewandt wird und denke, dass uns das ganz neue Möglichkeiten eröffnen wird. Ich bin schon gespannt, was es in diesem Bereich zu entdecken gibt“, so die Wissenschaftlerin. Durch ihre Kompetenz in Proteomik ist Krahmer bereits eine begehrte Kooperationspartnerin für andere Wissenschaftler am Helmholtz Zentrum München.

Offenheit für Neues und Durchsetzungswillen hat Krahmer schon sehr früh bewiesen, als sie als einziges Mädchen in der Fußballmannschaft ihres Nachbarn mitspielte. Mit ihrer Leidenschaft Fußball schaffte sie es als Jugendliche sogar in die Bayernauswahl. Auch heute noch sucht die zweifache Mutter den Ausgleich zur Kopfarbeit beim Sport in der Natur. So oft sie kann ist sie gemeinsam mit ihrer Familie aktiv und sammelt Energie für die anstehenden wissenschaftlichen Herausforderungen am Helmholtz Zentrum München.

* Das Emmy Noether Förderprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eröffnet besonders qualifizierten Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von sechs Jahren für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren. www.dfg.de

** Unter Proteomik versteht man die Erforschung des Proteoms mit biochemischen Methoden. Das Proteom umfasst die Gesamtheit aller in einer Zelle oder einem Lebewesen unter definierten Bedingungen und zu einem definierten Zeitpunkt vorliegenden Proteine. Das Proteom und auch das Transkriptom sind dynamisch und können sich daher in ihrer qualitativen und quantitativen Proteinzusammensetzung aufgrund veränderter Bedingungen (Umweltfaktoren, Temperatur, Genexpression, Wirkstoffgabe etc.) verändern. Die Proteomik versucht, sämtliche Proteine im Organismus zu katalogisieren und ihre Funktionen zu entschlüsseln.

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