Forschung

Forschungsschwerpunkte: Entstehung zellulären Lebens, Modell einer Minimalzelle, Membranbiophysik, Lipid-Protein-Interaktionen, Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS)

Petra Schwille ist eine deutsche Biophysikerin, die die physikalisch-chemischen Voraussetzungen für die Entstehung zellulären Lebens erforscht. Sie verfolgt dabei einen Bottom-Up-Ansatz und baut minimale biologische Funktionsmodule auf Basis von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren, um die essentiellen Eigenschaften von lebenden Zellen nachzuahmen. Für ihren Forschungsansatz entwickelte die Wissenschaftlerin eigene Untersuchungsmethoden, insbesondere zur Charakterisierung der Dynamik molekularer Interaktionen.

Die sogenannte minimale Zelle ist die Idee einer im Labor hergestellten Lebensform, also einer künstlichen Zelle, die nur die absolut notwenigen Bestandteile enthält, um überlebensfähig zu sein. Sie soll die „Urzelle“, also die erste lebende Zelle, nachahmen. Petra Schwilles Augenmerk gilt besonders den biologischen Membranen, die aus einer Vielzahl von Proteinen und Lipiden aufgebaut sind. Sie begrenzen Zellen als Ganzes und sind eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass sich Systeme aus biochemischen Reaktionen überhaupt dauerhaft bilden können.

Um grundlegende biologische Vorgänge besser zu verstehen, die auf der dynamischen Wechselwirkung zwischen Biomolekülen beruhen, entwickelt die Biophysikerin selbst Methoden für deren Erforschung. Sie hat die physikalisch-chemische Methode der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie so erweitert, dass sie auch in lebenden Systemen wie Zellen und Organismen angewandt werden kann. So lassen sich Konzentrationen und Dynamiken biologischer Moleküle in ihren natürlichen Umgebungen mit enormer Präzision ermitteln.

Um Prozesse auf Zellmembranen zu studieren und der Beziehung zwischen Membranproteinen und den umgebenden Lipiden auf die Spur zu kommen, haben die Biophysiker zellähnliche Modellmembransysteme entwickelt. Die lokale Lipidumgebung gilt dabei als wichtiges Element für die Anreicherung und Funktion von Membranproteinen, ein Phänomen, das als „Raft-Hypothese" bezeichnet wird.

Eine eigenständige Minimalzelle ist das Fernziel, doch derzeit konzentriert sich die Biophysik auf einzelne, essentielle Eigenschaften von Zellen, wie beispielsweise deren Teilung. Ein solches minimales biochemisches System zu bauen, das sich ohne Steuerung von außen kontrolliert in zwei Tochtersysteme teilt, steht derzeit im Fokus der Arbeiten von Petra Schwille.

Das Forschungsteam legt sein Augenmerk dabei vor allem auf Membranvesikel, die etwa so groß sind wie unsere Körperzellen, aber nur aus Phospholipidhüllen bestehen, in denen sich eine festgelegte Mischung von Proteinen befindet, die die Teilung auslösen sollen. Das Team konnte bereits fünf verschiedene Proteine, die ursprünglich aus einem Bakterium stammen, in einem solchen Vesikel kombinieren und zur Selbstorganisation bringen, so dass sich in der Mitte des Vesikels ein Teilungsring bildet und beginnt, sich einzuschnüren – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Teilung.

Neben dem Anspruch eines besseren quantitativen Verständnisses essentieller zellulärer Prozesse geht Petra Schwille mit dieser Forschung auch einer Grundfrage nach, die das menschliche Selbstverständnis berührt: Welche Prozesse machen letztlich das Leben aus, und wie könnte es entstanden sein? Dabei hat ihr reduktionistischer Ansatz, natürliche Phänomene auf ihre Minimalanforderungen zurückzuführen und daraus eine Bottom-up-Rekonstruktion abzuleiten, das Potenzial, auch andere fundamentale Fragen in der Biologie auszuloten.

Werdegang

• seit 2012 Honorarprofessorin, Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München
• seit 2011 Wissenschaftliches Mitglied und Direktorin, Max-Planck-Institut für Biochemie, Planegg
• 2002-2012 Professorin für Biophysik, Technische Universität (TU) Dresden
• 1999-2002 Nachwuchsgruppenleiterin, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
• 1997-1999 Postdoktorandin, Cornell-Universität, Ithaca, USA
• 1996-1997 Postdoktorandin, Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen
• 1996 Promotion in Physik, Technische Universität Braunschweig
• 1993-1996 Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen
• 1987-1993 Studium der Physik und Philosophie, Universität Stuttgart, Georg-August-Universität Göttingen

Funktionen

• seit 2024 Mitglied, Scientific Review Board, HHMI
• seit 2024 Mitglied, Vorstand, Deutsche Gesellschaft für Biophysik DGfB
• seit 2023 Mitglied, Kuratorium, Institute for Advanced Study, Technische Universität München
• 2020-2024 Mitglied, Kuratorium, BIOTOPIA Naturkundemuseum Bayern, München
• seit 2020 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, Fonds der Chemischen Industrie, Frankfurt am Main
• seit 2018 Mitglied, Kuratorium, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB
• seit 2017 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, BioM Biotech Cluster Development GmbH, Martinsried
• seit 2017 Mitglied, Kuratorium Verband der Chemischen Industrie (VCI), Frankfurt amMain
• 2013-2021 Mitglied, Scientific Board, Institute of Science and Technology (IST) Austria, Österreich
• 2012-2022 Mitglied, Kuratorium Heinrich-Wieland-Preis, Boehringer Ingelheim Stiftung, Mainz
• 2012-2020 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, Leibniz-Institut für molekulare Pharmakologie (FMP)
• 2012-2017 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, Center for Advancing Electronics (cfAED), Dresden
• 2012-2022 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, MRC Clinical Science Center, London, UK
• 2012-2020 Mitglied, Kuratorium, Angewandte Chemie
• 2012-2018 Mitglied, Editorial Board, Methods and Applications of Fluorescence (MAF)
• seit 2011 Mitglied, Editorial Board, ChemPhysChem
• seit 2010 Mitglied, Editorial Board, Journal of Structural Biology
• seit 2009 Mitglied, Editorial Board, European Biophysical Journal
• 2009-2014 Mitglied, Editorial Board, New Journal of Physics
• 2009-2014 Mitglied, Kuratorium, Physik Journal
• seit 2008 Mitglied, Forschungsbeirat, Fonds der Chemischen Industrie, Frankfurt am Main
• 2008-2016 Fachgutachterin, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
• 2008-2012 Mitglied, Kollegium, Biophysical Society
• 2007-2015 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF), Dresden
• 2007-2012 Mitglied, Vorstand, Center for Regenerative Therapies Dresden (CRTD)
• 2007-2012 Studiendekanin „Nanobiophysics“, Technische Universität Dresden
• 2006-2012 Mitglied, Vorstandsrat, Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG)
• 2006-2012 Mitglied, Editorial Board, Biophysical Journal
• 2006-2012 Prodekanin, Graduiertenschule Dresden International Graduate School for Biomedicine and Bioengineering (DIGS-BB), TU Dresden
• 2004-2010 Mitglied, Kuratorium. Physikalische Blätter
• 2004-2010 Mitglied, Wissenschaftlicher Beirat, Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, Hanau
• 2004-2009 Mitglied, Kuratorium, Welt der Physik
• 2003-2012 Vertrauensdozentin, Studienstiftung des Deutschen Volkes
• 2002-2012 Studiendekanin für Molecular Bioengineering, TU Universität Dresden
• 2001-2011 Mitglied, Feodor-Lynen-Auswahlkommission, Alexander von Humboldt-Stiftung, Bonn

Projekte

• seit 2023 Ko-Leitung, Deutsch-Israelische Projektkooperation „Aufklärung des funktionellen Ursprungs membrantransformierender Proteinsysteme durch Untersuchung der ESCRT-Systeme der Asgard Archaeen“, DFG
• 2017-2021 Leitung, Teilprojekt „In vitro-Rekonstitution der Nukleoid-abhängigen Positionierung interagierender Proteinkomplexe durch ParA-ähnliche ATPasen“, Transregio (TRR) 174, DFG
• 2015-2019 Beteiligte Wissenschaftlerin, Graduiertenkolleg (GRK) 2062 „Molekulare Prinzipien der Synthetischen Biologie“, DFG
• 2015-2020 Beteiligung, Forschungsnetzwerk „MaxSynBio“, Max-Planck-Gesellschaft München
• 2014-2021 Leiterin, Teilprojekt „Kräfte in der Membranverformung: Erste Schritte hin zu einem minimalen quantitativen Modell“, Sonderforschungsbereich (SFB) 863 „Kräfte in biomolekularen Systemen“, DFG
• 2012-2019 Beteiligte Wissenschaftlerin, Graduiertenschule (GSC) 1006 „Graduiertenschule für Quantitative Biowissenschaften München (QBM)“, DFG
• seit 2012 Leiterin, Teilprojekt „De novo Konstruktion eines musterbildenden Reaktions-Systems in variablen Geometrien“, SFB 1032, DFG
• 2010-2019 Leiterin, Teilprojekt „Characterization and membrane targeting of the Spir/formin action nucleator complex”, Schwerpunktprogramm (SPP) 1464, DFG
• 2010-2013 Leiterin, Teilprojekt „Die Rolle der Membrankrümmung bei der Rekrutierung membrantransformierender Proteine“, TRR 83, DFG
• 2010-2013 Leiterin, Projekt „SynDiv – Synthetic Biology of the Bacterial Cell Division”, DFG
• 2009-2013 Leiterin, Teilprojekt, „Entwicklung einer optischen Plattform zur Charakterisierung von (Oberflächen-)Bindungsreaktionen zwischen Glykosaminoglykanen und Mediatormolekülen“, TRR 67, DFG
• 2009-2012 Ko-Leitung, Projekt „LIPIDPROD - Lipid-protein interactions in membrane organisation“, DFG
• 2007-2015 Leiterin, Teilprojekt  „Diffusion and conformational dynamics in locally perturbed model membrane systems“, Forschungsgruppe (FOR) 877, DFG
• 2006-2019 Beteiligte Wissenschaftlerin, Exzellenzcluster (EXC) 114 „Zentrum für Integrierte Proteinforschung (CIPSM)“, DFG

Auszeichnungen und Mitgliedschaften

• 2023 Bundesverdienstkreuz 1. Klasse, Bundesrepublik Deutschland
• 2023 Manfred-Eigen-Preis für Naturwissenschaften, Niedersächsische Akademie der Wissenschaften zu Göttingen
• 2021 Otto-Warburg-Medaille, Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie (BGM), Frankfurt am Main
• 2020 Carl Zeiss Lecture, Deutsche Gesellschaft für Zellbiologie
• 2018 Bayerischer Maximiliansorden für Wissenschaft und Kunst
• seit 2018 Mitglied, Academia Europaea
• 2017 Fellow, Biophysical Society, Rockville, USA
• 2015 Honorary Fellow, Royal Microscopical Society, UK
• seit 2013 Mitglied, European Molecular Biology Organization (EMBO)
• seit 2013 Mitglied, Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften
• 2013 Suffrage Science Award, MRC-CSC, London, UK
• seit 2012 Mitglied, acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften
• 2011 Braunschweiger Forschungspreis
• seit 2010 Mitglied, Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
• 2010 Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
• 2005 Max-Planck-Fellow, Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
• 2004 Philip Morris-Forschungspreis, Philipp Morris Stiftung Deutschland
• 2003 Young Investigator Award for Biotechnology, Peter und Traudl Engelhorn-Stiftung, Weilheim
• 2001 Dozentenstipendium, Fonds der Chemischen Industrie, Frankfurt am Main
• 1998 Preisträgerin, BioFuture-Wettbewerb, Förderinitiative „BioFuture“, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
• 1997-1999 Feodor-Lynen-Stipendium, Alexander von Humboldt-Stiftung Bonn