Biophysik

• Applicant: Professor Dr. Markus Porto
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Biophysics
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 158230980

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Mein wissenschaftlicher Fokus war die Statistische Physik komplexer Systeme im Nichtgleichgewicht, insbesondere in biologischen Systemen. Dabei beschäftigte ich mich zum einen mit Fragestellungen aus dem Bereich der Darstellung und Organisation von Proteinstrukturen und deren Faltungs- und evolutionärer Dynamik und zum anderen mit Fragestellungen aus dem Bereich komplexer Netzwerke, deren Topologie und Dynamik. Proteine sind die zentralen Akteure fast aller in einer Zelle ablaufenden biochemischen Prozesse, einschließlich der Kontrolle der Genexpression, des Metabolismus, des Transports und der enzymatischen Katalyse. Proteine sind aus Aminosäuren bestehende Heteropolymere, deren spezifische Sequenz in der Erbinformation gespeichert ist und damit, bedingt durch mögliche Kopierfehler bei der Zellteilung, dem Einfluß der biologischen Evolulion unterliegt. Proteine erreichen ihre spezifische biologische Funktion in der Regel in einem gefalteten Zustand, wobei dieser durch die Sequenz der Aminosäuren und deren Wechselwirkung untereinander und mit dem umgebenden Medium eindeutig festgelegt ist. Die zentralen Grundbedingungen für die biologische Funktion eines Proteins sind die thermodynamische Erreichbarkeit und Stabilität des gefalteten Zustands. Ich habe im Rahmen meines Heisenberg-Stipendiums die Konsequenzen dieser Bedingungen für die evolutionäre Dynamik, die Struktur und die Faltung von Proteinen untersucht. Dies geschah insbesondere bzgl. des Einflusses von Strukturkorrelationen auf Sequenzkorrelationen, des Einflusses populationsdynamischer Größen auf Proteinsequenzen, der Abstandsmetrik im Strukturraum und den Eigenschaften von Faltungslandschaften. Die Anwendung der mathematischen Graphentheorie zum Studium biologischer Prozesse wie Genregulation, Metabolismus und Protein-Protein-Wechselwirkung ist eine der wichtigsten Entwicklungen in der Theoretischen Biologie in den letzten Jahren. Dabei wurden bzgl. des Verständnisses der Topologie der in diesem Kontext beobachteten komplexen Netzwerke große Fortschritte gemacht, wahrend zur Zeit das Verständnis der Dynamik, insbesondere, wie eine gegebene Netzwerktopologie eine darauf ablaufende Dynamik beeinflußt und steuert, noch lückenhaft ist. Ich habe im Rahmen meines Heisenberg-Stipendiums Methoden zur Netzwerkerzeugung und den Einfluß topologischer Charakteristika eines Netzwerks auf dynamische Prozesse untersucht. Dies geschah insbesondere im Kontext einer Optimierung eines Netzwerkes für eine gegebene komplexe dynamische Aufgabe.

Publications

• High quality protein sequence alignment by combining structural profile prediction and profile alignment using SABERTOOTH. BMC Bioinfonnatics 11, 251 (2010) (14 Seiten)
  F. Teichen, J. Minning, U. Bastolla und M. Porto
  
• Mutation bias favors protein folding stability in the evolution of small populations. PLoS Comput. Biol. 6, e1000767 (2010) (21 Seiten)
  R. Méndez, M. Fritsche, M. Porto und U. Bastolla
  
• Asymmetrie folding pathways and transient misfolding in a coarse-grained model of proteins. EPL 94, 48005 (2011) (5 Seiten)
  K. Wolff, M. Vendruscolo und M. Porto
  
• Coarse-grained model for protein folding based on structural profiles. Phys. Rev. E 84,041934 (2011) (7 Seiten)
  K. Wolff, M. Vendruscolo und M. Porto
  
• Network evolution towards optimal dynamical performance. EPL 99, 38002 (2012) (5 Seiten)
  Karalus, Steffen & Porto, Markus
  
• Detecting selection for negative design in proteins through an improved model of the misfolded state. Proteins (2013)
  Minning, Jonas; Porto, Markus & Bastolla, Ugo