Sonja Lorenz

Barcodes für Proteine

Unsere Forschungsgruppenleiterin Sonja Lorenz untersucht ganz besondere kleine Proteine, die die Macht besitzen, alle anderen zu steuern.

Wenn sich das Team von Sonja Lorenz zu seinen „Gourmetnächten“ trifft, ist der Tisch reich gedeckt mit internationalen Gerichten. Er spiegelt die vielen Nationalitäten der Gruppe wieder. Lorenz ist viel in der Welt herumgekommen. Geboren in Neustadt an der Weinstraße, studierte sie Biochemie in Regensburg und verbrachte dabei ein Jahr an der University of California, Berkeley (USA). Promoviert hat sie an der britischen Universität Oxford, nachdem sie zuvor einige Zeit im benachbarten Cambridge verbracht hatte. „Im Ausland habe ich bemerkt, wie inspirierend und bereichernd es für die Forschung ist, wenn Menschen mit verschiedenen kulturellen Hintergründen zusammenarbeiten“, erklärt die Biochemikerin. „Darum freue ich mich auch, dass wir international so breit gefächert sind. Wir haben Leute aus Deutschland, Neuseeland, Indien, Schottland und Costa Rica für unsere Gruppe rekrutiert.“

Im März 2021 zog die Forschungsgruppenleiterin mit ihrem Team von der Universität Würzburg an unser Institut nach Göttingen. Hier kann Lorenz ihr Repertoire an Methoden erweitern, mit dem sie das Ubiquitinsystem erforscht. Moment. Das Ubiqui... was?

Ubiquitin – ein Winzling mit großer Macht

Ubiquitin ist ein kleines Protein, das ubiquitär (allgegenwärtig) in denjenigen Zellen vorkommt, die einen Zellkern haben und dort als ein zentrales Steuerelement auf andere Proteine einwirkt. Man kann sich Ubiquitin wie eine Art mole­kularen Barcode vorstellen, der an Zielproteine angeheftet und bei Bedarf abgelesen wird und auch wieder entfernt werden kann. Die Information, die der Barcode liefert, entscheidet dann über Schicksal und Funktionen der markierten Proteine. Dabei kann der Barcode nicht nur Lebenszeit und Wirkort dieser Proteine bestimmen, sondern auch deren Struktur und katalytische Aktivitäten sowie Wechselwirkungen mit Partnerproteinen. Der Ubiquitin-Barcode ist also sehr vielseitig und kann die Eigenschaften von Proteinen auf unterschiedlichen Ebenen steuern.

Wird Ubiquitin an ein Zielprotein angeheftet, geschieht das mithilfe von Enzymen, sogenannten Ubiquitinligasen. „Ubiquitin dekoriert Zielproteine nicht nur als Einzelmolekül, sondern häufig auch als mehrteilige Kette mit verschiedenen Verknüpfungspunkten“, erklärt Lorenz. „Somit ergeben sich unzählige Möglichkeiten, wie der Barcode aussehen kann. Jede dieser Kombinationen übermittelt ganz spezifische Informationen oder Aufgaben an das markierte Protein und seine Interaktionspartner. Das Ubiquitinsystem verfügt daher über ein riesiges regulatorisches Potenzial.“ 

Mit ihrer Forschungsgruppe möchte die Biochemikerin herausfinden, wie es Ubiquitinierungsenzyme bewerkstelligen, zur richtigen Zeit und am richtigen Ort ganz bestimmte Proteine mit den richtigen Barcodes zu markieren. Bei diesem hochpräzisen Vorgang müssen die Enzyme nicht nur das richtige Zielprotein erkennen, sondern auch den richtigen Anheftungspunkt finden. Doch Zellen sind vollgepackt mit verschiedensten Proteinen. Wie erkennen Ubiquitin-Enzyme ihre Zielproteine bei der Fülle an anderen Zellbestandteilen? Und welche zellulären Faktoren beeinflussen die Aktivität und Spezifität von Ubiquitinligasen raum-zeitlich? 

Mit Kolleg*innen der University of California machte Lorenz eine überraschende Entdeckung. „In der Regel sind Enzyme bereits mit den Eigenschaften ausgestattet, die für ihre Aktivität wichtig sind. Wir haben jedoch herausgefunden, dass einige Ubiquitinierungsenzyme zusätzlich Ubiquitin benötigen, um ihre Spezifität zu entfalten“, erläutert die Wissenschaftlerin. Ubiquitin kann also quasi aktiv zu seiner eigenen Anheftung an Zielproteine beitragen. Dieses Prinzip substratassistierter Katalyse wurde bereits bei anderen Prozessen beschrieben, bei Ubiquitinierungsenzymen war es vorher noch nicht bekannt.

Musik und Sport und Schreiben und Wissenschaft

Neben ihrer wissenschaftlichen Karriere hat Lorenz noch viele weitere Interessen. „Ich habe eigentlich immer Hobbies in meinem Leben, denen ich einen größeren Teil meiner Freizeit widme“, berichtet sie. Schon seit ihrer Schulzeit schreibt die Forscherin gern sowohl wissenschaftliche Texte als auch Kurzgeschichten. Dabei liegt ihr die Wissenschaftskommunikation besonders am Herzen. In Cambridge absolvierte sie ein Volontariat beim Wissenschaftsmagazin Science und an verschiedenen Universitäten veröffentlichte sie populärwissenschaftliche Artikel. 

Musik und Sport stehen bei Lorenz ebenfalls hoch im Kurs. In Würzburg sang sie jahrelang in einem preisgekrönten Kammerchor, während ihrer Promotion in Oxford genoss sie es, als Mitglied des Varsity-Tennisteams an Turnieren und Team-Events teilzunehmen. „Hier in Göttingen möchte ich auch wieder Tennis spielen, muss aber noch abwägen, was zeitlich drin ist. Wichtig ist mir auf jeden Fall, dass ich eine gewisse Bandbreite in meinem Leben erhalte, die neben der Wissenschaft auch Sport und Kultur enthält.“

Turbostart in Göttingen 

Für Naturwissenschaften begeisterte sich Lorenz bereits früh. Damals wie heute faszinieren sie dabei die Schnittstellen zu anderen Disziplinen. „Gerade diese Vielfalt an Konzepten und Methoden, die mein Forschungsgebiet vereint, bietet sehr viele Möglichkeiten und macht die Wissenschaft für mich unglaublich spannend.“ Dieses Potenzial für Synergien bewegte die Biochemikerin auch, im März dieses Jahres an unser Institut zu wechseln. 

Das Institut sei eine Weltklasse-Adresse für alle Bereiche, die für ihre Forschung relevant sind. So könne die Gruppe nun dank der Infrastruktur, Ausstattung, Expertise und Kolla­borationen am MPI-BPC ihr Spektrum an Methoden ergänzen, besonders durch die Kryo-Elektronenmikroskopie, und neue Modellsysteme erschliessen. „Nach sechs Monaten am Institut können wir bereits spannende Ergebnisse vorweisen. Unsere Forschung hat hier einen Turboantrieb bekommen und mein Team einen großen Motivationsschub.“ 

Dazu trägt laut Lorenz auch bei, dass sie nun mehr Zeit für die eigentliche Forschung hat. „Die Verwaltung am Institut ist super organisiert und nimmt mir viel Bürokratie ab.“ Auch bei den Werkstätten und Services möchte sie sich herzlich bedanken. Diese haben sie und ihre Gruppe beim Einrichten des Labors überaus kompetent und flexibel unterstützt. 

„Ich freue mich sehr auf die kommenden Jahre hier am MPI-BPC. Wir konnten bereits die strukturellen Mechanismen einzelner Elemente aus dem Ubiquitinsystem entschlüsseln. Nun möchten wir den Bogen spannen zur Integration dieser Mechanismen in makromolekulare Komplexe und zelluläre Signalwege.“ Daher wird die Gruppenleiterin zukünftig verstärkt untersuchen, wie sich ihre Erkenntnisse aus dem Reagenzglas in Zellkulturen übertragen lassen. Man sieht: Lorenz‘ wissenschaftliche Pläne sind nicht weniger vielfältig als die Auswahl an Gerichten bei den „Gourmetnächten“ ihres Teams.

5 Fragen an Sonja Lorenz

Welchen anderen Beruf könnten Sie sich vorstellen?

Schriftstellerin: Das Erschaffen und Eintauchen in selbst erdachte Welten stelle ich mir ähnlich faszinierend vor wie die Wissenschaft.

Welches Land würden Sie gern bereisen?

Auf den Spuren Charles Darwins die Galapagos-Inseln zu erkunden, ist ein lang gehegter Wunsch.

Welche bekannte Persönlichkeit – aus Vergangenheit oder Gegenwart – würden Sie gerne treffen?

Eine Surrealistin wie Remedios Varo, über deren geheimnisvolle Werke ich gerne aus erster Hand hören würdet.

Was würden Sie tun, wenn Sie mehr Zeit hätten?

Einen „Musiksalon“ daheim eröffnen, in dem man sich am Wochenende zu Kammermusik und zum Kuchenessen trifft.

Über welches Thema könnten Sie eine 30-minütige Präsentation halten, ohne jede Vorbereitung?

Ubiquitin natürlich!