Das IBI-1 betreibt Grundlagenforschung auf dem Gebiet der molekularen Neurobiologie und zellulären Signalverarbeitung.

Chemische und physikalische Reize lösen in vielen biologischen Zellen eine spezifische Antwort aus. Die biochemischen Reaktionen vom Erkennen des Reizes bis zur physiologischen Antwort bezeichnet man auch als Signaltransduktion, weil die Information des Reizes in einem mehrstufigen Prozess übersetzt wird. Im Institut werden insbesondere untersucht: die Erregung von Sehzellen der Säugetier-Netzhaut und ihre Adaptation, der Mechanismus der Signalwandlung in olfaktorischen Zellen des Riechepithels, Geschmackszellen des Zungenepithels und in Spermien.

Viele Schritte der neuronalen Signalverarbeitung sind an zelluläre Membranen gebunden. Die reizspezifischen Rezeptoren einer Zelle sind integrale Membranproteine, und die zelluläre Antwort besteht in vielen Fällen in einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Zellmembran, die durch Ionenkanäle vermittelt wird. Ein thematischer Schwerpunkt des Instituts ist die Charakterisierung von verschiedenen Ionenkanälen mit biochemischen, molekularbiologischen und biophysikalischen Methoden.

Die Mechanismen der Signaltransduktion und der neuronalen Erregung beruhen in vielen Fällen auf dem gegenseitigen Erkennen und der Wechselwirkung zwischen Proteinen und der Bildung makromolekularer Signalkomplexe. Das langfristige Ziel besteht darin, die einzelnen Schritte der Signaltransduktion und Ionentranslokation im einzelnen Molekül als auch die Struktur und Dynamik der Signalkomplexe zu verstehen.

Eine ungestörte Informationsverarbeitung ist für alle biologischen Systeme lebenswichtig. Viele Krankheiten beruhen auf Defekten in der Verarbeitung von Signalen innerhalb von Zellen oder zwischen Zellen und damit auf der Störung ihrer spezifischen Funktion. Das IBI-1 untersucht deshalb auch die molekularen Ursachen für verschiedene degenerative und funktionelle Erkrankungen der Netzhaut. Langfristig können die Erkenntnisse auch dazu dienen, neue Wege zu weisen für die technische Lösung von Problemen der Informationsverarbeitung unter Verwendung biologischer Bauelemente ("Biosensoren") oder Funktionsprinzipien ("Molekulares Erkennen").

Den molekularen Mechanismus von Proteinen auf der Basis ihrer Struktur und Dynamik zu verstehen, ist das Ziel der Arbeiten am Teilinstitut für Biologische Strukturforschung (IBI-2). Ein Hauptschwerpunkt liegt auf dem Gebiet der Membranproteine, die den Stoff- und Signaltransport über Membranen bewerkstelligen. Bacteriorhodopsin, eine lichtgetriebene Protonenpumpe steht beispielhaft für diese Bemühungen. Hochaufgelöste Kristallstrukturen wurden nicht nur für den Grundzustand, sondern auch für einige wichtige Zwischenzustände ermittelt. Mit der zeitaufgelösten Infrarotspektroskopie wird der Weg des Protons durch Bacteriorhodopsin aus den Änderungen der Schwingungsbanden protonierbarer Gruppen sichtbar. Die Analyse der Gleichgewichtsfluktuationen durch die quasielastische Neutronenstreuung zeigt die Bedeutung der diffusiven Bewegungen, wodurch die für Funktionen wichtige Konformationsänderungen erst ermöglicht werden. Es zeigte sich, dass Bacteriorhodopsin sowohl ein Modellsystem für sieben a-helikale aktive Ionenpumpen als auch für viele Rezeptoren dieser Proteinfamilie ist. Neben vielen anderen Projekten wird das IBI-2 in Zukunft, besonders in Zusammenarbeit mit IBI-1, Ionenkanäle untersuchen, die in vielen Systemen die Umsetzung einer sensorischen Kaskade in ein elektrisches Signal bewirken. Die Hauptuntersuchungsmethoden sind zurzeit die Kristallstrukturanalyse, die mehrdimensionale NMR und die zeitaufgelöste Infrarot- und Ramanspektroskopie.