WSR058-Die dunkle Seite des Mikrobioms und Cryo-Elektronenmikroskopie - Interview mit Dr. Daniel Roderer

Wirkstoffradio (MP3 Feed)

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Das Wirkstoffradio ist ein Wissenschaftskommunikationsprojekt aus dem Leibniz-Forschungsinstitut f\u00fcr Molekulare Pharmakologie (FMP) und wird gef\u00f6rdert durch das Leibniz Forschungsnetzwerk Wirkstoffe und Biotechnologie.","poster":"https:\/\/www.wirkstoffradio.de\/podlove\/image\/68747470733a2f2f7777772e7769726b73746f6666726164696f2e64652f77702d636f6e74656e742f75706c6f6164732f323031382f30392f5769726b73746f6666726164696f5f4c6f676f5f6c616e672d3330303078333030305f63726f707065645f626c756542472e706e67\/500\/0\/0\/wirkstoffradio","link":"https:\/\/www.wirkstoffradio.de"},"title":"WSR058 Die dunkle Seite des Mikrobioms und Cryo-Elektronenmikroskopie - Interview mit Dr. Daniel Roderer","subtitle":"In dieser Episode besprechen Daniel Roderer und Bernd Rupp die unterschiedlichen Rollen des Mikrobioms. Dabei werden auch potenziell sch\u00e4dliche Mechanismen gezeigt und wie Daniel dieser \"dunklen Seite des Mikrobioms\" mit Cryo-EM auf der Spur ist.","summary":"","publicationDate":"2022-09-04T16:00:14+02:00","duration":"01:31:12.263","poster":"https:\/\/www.wirkstoffradio.de\/podlove\/image\/68747470733a2f2f7777772e7769726b73746f6666726164696f2e64652f77702d636f6e74656e742f75706c6f6164732f323031382f30392f5769726b73746f6666726164696f5f4c6f676f5f6c616e672d3330303078333030305f63726f707065645f626c756542472e706e67\/500\/0\/0\/wirkstoffradio","link":"https:\/\/www.wirkstoffradio.de\/2022\/09\/04\/wsr058-die-dunkle-seite-des-mikrobioms-und-cryo-elektronenmikroskopie-interview-mit-dr-daniel-roderer\/","chapters":[{"start":"00:00:00.000","title":"Begr\u00fc\u00dfung","href":"","image":""},{"start":"00:01:45.744","title":"Was ist das Mikrobiom?","href":"","image":""},{"start":"00:07:19.406","title":"Die dunkle Seite des Mikrobioms","href":"","image":""},{"start":"00:12:42.391","title":"Funktion 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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 Artikel
  • Dickdarm – Wikipedia Artikel
  • Haut – Wikipedia Artikel
  • Mund – Wikipedia Artikel
  • Speichel – Wikipedia Artikel
  • Zahnbelag – Wikipedia Artikel
  • Magen – Wikipedia Artikel
  • Dünndarm – Wikipedia Artikel
  • Blut – Wikipedia Artikel
  • Blutvergiftung – Wikipedia Artikel
  • Stoffwechselprodukt – DocCheck Flexikon
  • Butyrate – Wikipedia Artikel
  • Pflanzenfasern – Wikipedia Artikel
  • wissenschaftlicher 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.4517
  • wissenschaftlicher 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/s41579-019-0191-8

Wechselwirkungen zwischen Mensch und Mikrobiom im Dickdarm; Quelle: Daniel Roderer, CC-BY 4.0

Die dunkle Seite des Mikrobioms

• • Entzündung – Wikipedia Artikel
  • Tumor – Wikipedia Artikel
  • Escherichia coli (EColi) – Wikipedia Artikel
  • Colibactin – Wikipedia Artikel (englisch)
  • Darmkrebs, Kolorektales Karzinom – Wikipedia Artikel
  • Fusobacterium nucleatum – DocCheck Flexikon
  • Bacteroides fragilis – Wikipedia Artikel
  • Enterococcus faecalis – Wikipedia Artikel
  • Morbus Crohn – Wikipedia Artikel
  • wissenschaftlicher 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/s41591-019-0406-6

Funktion des Adhäsins

• • Adhäsine – Wikipedia Artikel
  • Adhäsion – Wikipedia Artikel
  • Natural killer cell (NK-Zelle) – Wikipedia Artikel

Exkurs Biofilm

• • Biofilm – Wikipedia Artikel
  • Extrazelluläre Matrix – Wikipedia Artikel
  • Schleimhaut oder Mukosa – Wikipedia Artikel
  • Toxin – Wikipedia Artikel

Die dunkle Seite des Mikrobioms II

• • Bakterielle Proteinsekretion – Wikipedia Artikel
  • Translokation (Genetik) – Wikipedia Artikel
  • Rezeptor (Biochemie) – Wikipedia Artikel
  • Pore – Wikipedia Artikel
  • Stuhltransplantation – Wikipedia Artikel

Cryo-EM zur molekularen Analyse des Mikrobioms

• • Kryoelektronenmikroskopie (Cryo-EM) – Wikipedia Artikel
  • Proteinkomplex – Wikipedia Artikel
  • Kristallstrukturanalyse – Wikipedia Artikel
  • WSR011 Proteinstrukturen aufklären mit der Röntgenkristallographie – Interview mit Dr. Yvette Roske – Link zur Episode
  • Tomografie – Wikipedia Artikel
  • Ångström (Einheit) – Wikipedia Artikel

Schematische 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 Revolution
  • Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) – Wikipedia Artikel
  • Atomare Masseneinheit (Dalton Da) – Wikipedia Artikel

Was wird durch die Cryo-EM detektiert

• • Scanning- (SEM) oder Rasterelektronenmikroskopie (REM) – Wikipedia Artikel
  • Transmissionselektronenmikroskopie – Wikipedia Artikel
  • Transmissionselektronenmikroskopie – Wikibrief Artikel
  • Strahlungsdetektor – Wikipedia Artikel

Beispiel 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 Artikel

A: 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 Artikel
  • Elektronendichte – Wikipedia Artikel
  • Blotting – Wikipedia Artikel
  • Projektion (Optik) – Wikipedia Artikel
  • Anisotropie – Wikipedia Artikel
  • Kryoelektronentomographie – Wikipedia Artikel
  • Deep Learning – Wikipedia Artikel

Wie wird bei der Cryo-EM detektiert?

• • Elektronenstreuung – Wikipedia Artikel

Speicherbedarf der Cryo-EM

• • Film – Wikipedia Artikel
  • Denaturierung – Wikipedia Artikel

In 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 Artikel
  • Elastizität (Physik) – Wikipedia Artikel
  • Intrinsisch ungeordnete Proteine – Wikipedia Artikel
  • Proteindomäne – Wikipedia Artikel
  • Sekundärstruktur – Wikipedia Artikel
  • Seitenkette – Wikipedia Artikel

Von der Einzelpartikel zur Cryotomographie Methode

• • Kryoelektronentomographie – Wikipedia Artikel
  • Electron 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: PMC3734081
  • Focused 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: PMC7891420

Cryo-EM am Campus Buch

• • Elektronenmikroskopie – Charité – Universitätsmedizin Berlin
  • Forschungszentrum für Elektronenmikroskopie (FZEM) – FU Berlin

Größenvergleich links Titan Krios (G3i ThermoFischer) rechts Wissenschaftler (Daniel); Quelle: Wirkstoffradio CC BY 4.0

Warum Filme und nicht Bilder?

• • Drift (Messtechnik) – Wikipedia Artikel
  • Elektronenstrahl – Wikipedia Artikel
  • Querprofil (Strahlentherapie) – Wikipedia Artikel

Daniels Forschungsprojekte

• • Darmschleimhaut oder Darmepithel – Wikipedia Artikel
  • Rezeptor (Biochemie) – Wikipedia Artikel
  • Strukturbiologie – Wikipedia Artikel
  • Nanodisc – Wikipedia Artikel (englisch)
  • Affinität (Chemie) – Wikipedia Artikel
  • In vivo – Wikipedia Artikel
  • Aktinfilament – DocCheck Flexikon
  • Actinfilament – Spektrum der Wissenschaft
  • Protease – Wikipedia Artikel
  • Signaltransduktion – Wikipedia Artikel
  • Signalkaskade – DocCheck Flexikon
  • wissenschaftlicher 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 Artikel
  • Biologie – Wikipedia Artikel
  • Mikrobiologie – Wikipedia Artikel
  • Universität Regensburg – Wikipedia Artikel
  • uni-regensburg – Hompage
  • ETH Zürich – Wikipedia Artikel
  • ethz.ch – Hompage
  • Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie – Homepage
  • Prof. Dr. Stefan Raunser – Homepage
  • Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie – Wikipedia Artikel
  • mpi-dortmund.mpg.de – Homepage
  • DanielRoderer@FMP – Homepage
  • Ein kleines Haus für ein großes Mikroskop – MDC Pressemitteilung
  • scanning Elektronenmikroskop – Wikipedia Artikel
  • Focused Ion Beam oder Zweistrahlmikroskop – Wikipedia Artikel
  • WSR052 Die Rolle der Membran in der zellulären Signalübertragung – Interview mit Prof. Dr. Volker Haucke – link zur Episode

Exkurs Beschleunigungsspannung bei der EM

• • Beschleunigungsspannung – Wikipedia Artikel
  • Kontrast – Wikipedia Artikel

Daniels Lieblingsmolekül

• • Graphen – Wikipedia Artikel

Valenzstrichformel 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.

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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 [e-mail], 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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Chapitres

1. Begrüßung (00:00:00)

2. Was ist das Mikrobiom? (00:01:45)

3. Die dunkle Seite des Mikrobioms (00:07:19)

4. Funktion des Adhäsins (00:12:42)

5. Exkurs Biofilm (00:14:48)

6. Die dunkle Seite des Mikrobioms II (00:16:59)

7. Cryo-EM zur molekularen Analyse des Mikrobioms (00:21:22)

8. Vorteile der Cryo-EM (00:25:08)

9. Was wird durch die Cryo-EM detektiert? (00:27:50)

10. Wie sieht eine Cryo-EM Probe aus? (00:29:22)

11. Einzelpartikel Analyse der Cryo-EM (00:33:31)

12. Wie wird bei der Cryo-EM detektiert? (00:43:14)

13. Speicherbedarf der Cryo-EM (00:44:49)

14. Flexibilitäts Problem (00:49:21)

15. Von der Einzelpartikel zur Cryotomographie Methode (00:53:19)

16. Cryo-EM am Campus Buch (00:56:39)

17. Warum Filme und nicht Bilder? (00:58:29)

18. Daniels Forschungsprojekte (01:03:51)

19. Daniels Werdegang (01:14:36)

20. Exkurs Beschleunigungsspannung bei der EM (01:22:23)

21. Daniels Lieblingsmolekül (01:26:34)

22. Verabschiedung und Bitte um Feedback (01:29:14)