Der Campus Riedberg der Goethe-Universität Frankfurt hat seine Position als eines der europaweit führenden Zentren für biomolekulare Spitzenforschung im Bereich der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) weiter gefestigt.
Mit der Inbetriebnahme eines der weltweit größten NMR-Spektrometer und dem aktuellen Aufbau einer neuen europäischen Forschungsdatenbank schlägt das Zentrum für Biomolekulare Magnetische Resonanz (BMRZ) eine Brücke zwischen technologischer Innovation und digitaler Zukunft.
Ein technologischer Meilenstein: Das 1,2-Gigahertz-Spektrometer
Bereits im Jahr 2014 bewilligte der Wissenschaftsrat Mittel in Höhe von 24 Millionen Euro für ein NMR-Spektrometer der nächsten Generation. Davon flossen 18 Millionen Euro in das Großgerät und 6 Millionen Euro in einen eigens dafür errichteten Anbau auf dem Campus Riedberg. Die Investition, die je zur Hälfte vom Bund und vom Land Hessen getragen und später durch die Goethe-Universität ergänzt wurde, belief sich am Ende auf insgesamt 30 Millionen Euro für Gerät und Gebäude.
Das im Jahr 2023 offiziell eingeweihte 1,2-Gigahertz-Spektrometer ist ein technologisches Schwergewicht: Es wiegt rund 10 Tonnen und ragt 4 Meter in die Höhe. Um die Anlage baulich sicher zu betreiben, wurde die Gebäudehülle mit einer speziellen Glasfaser-Bewehrung im Beton ausgestattet.
Die Konstruktion des Magneten stellte den Entwickler Bruker vor extreme technische Herausforderungen. Das Magnetfeld in der kleinen Untersuchungskammer ist 600.000-mal so stark wie das Erdmagnetfeld und muss in einem aktiven Kernvolumen von nur einem Kubikzentimeter zu 99,99999999 Prozent absolut homogen sein. Da klassische Niedertemperatur-Supraleiter auf Niobzinn-Basis bei einer Feldstärke nahe 23,5 Tesla versagen, kamen neuartige Hybrid-Drähte zum Einsatz. Diese nutzen Hochtemperatur-Supraleiter aus mit Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) beschichtetem Edelstahlband. Da diese Bänder kilometerlang sein müssen, war die Erreichung der notwendigen Homogenität eine Meisterleistung der Ingenieurskunst.
Neue Dimensionen für die Medizin und Biologie
Für die Wissenschaftler um den geschäftsführenden BMRZ-Direktor Prof. Clemens Glaubitz und den Hauptantragsteller Prof. Harald Schwalbe eröffnet das Gerät völlig neue Dimensionen. Durch die gesteigerte Empfindlichkeit und höhere Auflösung lassen sich chemische und biochemische Reaktionen in biologisch relevanten Zeitskalen beobachten. Die Beobachtung von Proteinfaltungen ist nun um den Faktor 10 schneller möglich als zuvor.
Dies liefert wichtige Impulse für die Frankfurter RNA- und Membranproteinforschung. Forscher können damit:
- Kurzlebige Zwischenprodukte und Proteine (wie Insulin oder RNAs) direkt in der Zelle strukturell charakterisieren.
- Die Entstehung von Krankheiten wie Alzheimer, Krebs und Herzerkrankungen besser verstehen, die oft durch Fehler in sogenannten „intrinsisch ungeordneten Proteinen“ ausgelöst werden.
- Die Mechanismen der Signalweiterleitung an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) – der pharmakologisch wichtigsten Klasse von Membranproteinen – entschlüsseln.
Frankfurt als Knotenpunkt der europäischen Datenvernetzung
Da ein immer größerer Anteil der weltweiten NMR-Strukturdaten aus Europa stammt, folgt nun der nächste logische Schritt in der Digitalisierung. Unter der Leitung von Harald Schwalbe baut das BMRZ derzeit eine neue europäische Forschungsdatenbank namens BMRBe auf. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zunächst für eineinhalb Jahre mit 530.000 Euro gefördert und vom Center for Scientific Computing der Universität begleitet.
Die BMRBe fungiert künftig als zentraler europäischer Knotenpunkt und ergänzt die bestehenden Datenbanken in den USA (BMRB) und Japan (BMRBj). Ziel ist die Entwicklung einer Software, die experimentelle NMR-Daten direkt von den Spektrometern aus ganz Europa fehlergeprüft in die Datenbank überträgt und der internationalen Forschungsgemeinschaft bereitstellt.
Obwohl das jährliche Datenvolumen mit etwa einem Terabyte relativ gering ist, soll die europäische Datenbank inhaltlich über die US-amerikanische Schwester hinausgehen. Neben den reinen dreidimensionalen Strukturdaten wird die BMRBe auch die Reaktivität von Biomolekülen erfassen. Sie wird präzise dokumentieren, welche Substanzen bestimmte Proteine am besten hemmen.
Diese sorgfältig kuratierte Datengrundlage ist von unschätzbarem Wert für die moderne Arzneimittelforschung und die Analyse von Stoffwechselprodukten (Metabolomics). Sie dient insbesondere dazu, verlässliche Trainingsdaten für künstliche Intelligenzen bereitzustellen, die in der medizinischen Wirkstoffentwicklung eine immer zentralere Rolle einnehmen. Der Campus Riedberg festigt damit eindrucksvoll seine Rolle als internationaler Schrittmacher in der biomedizinischen Forschung.
