FOR 1979:  Erforschung der Dynamik biomolekularer Systeme durch Druckmodulation

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227612752

Druck beeinflusst die Struktur und Dynamik biomolekularer Systeme durch eine Veränderung des spezifischen Volumens, welches wiederum auf eine veränderte Hydratation oder Packung der Biomoleküle zurückgeführt werden kann. Daher ist die Anwendung hoher hydrostatischer Drücke besonders dafür geeignet, die Rolle der Solvatation von Proteinen und anderen Biomolekülen für deren Faltung, Dynamik und Wechselwirkungen aufzuklären. Mit Hilfe von Druckuntersuchungen lassen sich zudem in idealer Weise Fluktuationen charakterisieren, da diese mit Volumenänderungen verbunden sind. Weiterhin können hochangeregte Konformere, die normalerweise experimentell nur schwer zugänglich sind, unter Druck stabilisiert werden. Darüber hinaus werden Wasserstoff-Brückenbindungen, elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen in ihrer Stärke neu gewichtet. Ziel unserer Forschungsinitiative ist es, zu einem molekularen Verständnis der Druckeffekte auf Lösungen von Biomolekülen zu kommen und wichtige mechanistische Details fundamentaler biomolekularer Prozesse und Reaktionen aufzuklären. Ausgehend von exakten Referenzstudien an kleinen Biomolekülen und Cosolventien bei hohen Drücken werden die Ensembles von konformationellen und funktionellen Zuständen sowie die zwischenmolekularen Wechselwirkungen von Proteinen unter Druck vermessen. Der Druckparameter wird auch eingesetzt, um detaillierte Informationen über die Selbstassemblierung von Proteinen zu bekommen, membranassoziierte Prozesse zu kontrollieren sowie enzymatische Prozesse zu steuern. Schließlich lassen sich daraus auch wertvolle Informationen über die strukturellen, dynamischen und funktionellen Eigenschaften biomolekularer Systeme unter extremen Zustandsbedingungen gewinnen. In den geplanten Untersuchungen werden eine Reihe sensitiver biophysikalischer Methoden, wie die Kleinwinkelröntgenstreuung, Röntgenreflektivität, die NMR-, FT-IR-, THz- und Fluoreszenz-Spektroskopie sowie Mikroskopieverfahren eingesetzt und mit Hochdrucktechniken kombiniert. Unverzichtbar für ein detailliertes molekulares Verständnis der Prozesse ist eine enge Verbindung von Experiment und Theorie. Das Methodenspektrum der Theorie reicht von ab initio-, QM/MM- und klassischen Molekulardynamik-Verfahren mit druckoptimierten Kraftfeldern bis hin zu modernen Methoden der statistischen Mechanik von Flüssigkeiten in Verbindung mit genauer Quantenchemie, um komplementäre Informationen über die Solvatation, Dynamik und Konformationen der Systeme zu erlangen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Charakterisierung verschiedener konformationeller Proteinzustände mit Hochdruck-NMR-Spektroskopie (Antragsteller Kalbitzer, Hans Robert ;  Kremer, Werner )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Winter, Roland )
• Membrane curvature modulation by membrane fusion promoting domains: HHP as a tool to study membrane fusion (Antragsteller Winter, Roland )
• Multiskalensimulation von Osmolyt- und Hochdruckeffekten auf konformationelle Übergänge und molekulare Assoziationen von biomolekularen Systemen (Antragsteller Horinek, Dominik ;  Kast, Stefan M. )
• Osmolyt-Einfluss auf Dichten, Löslichkeiten, osmotische Drücke und Reaktionsgeschwindigkeiten in biologischen Systemen unter hohem hydrostatischem Druck (Antragstellerin Sadowski, Gabriele )
• Strukturbestimmung biologisch relevanter Systeme im Volumen und an Grenzflächen mittels Hochdruck-Röntgenmethoden (Antragstellerin Nase, Julia )
• THz Spektroskopie von gelösten Biomolekülen unter Hochdruckbedingungen als Mittel zur Untersuchung der Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerkdynamik (Antragstellerin Havenith-Newen, Martina )
• Untersuchung des Druckeinflusses auf die Mikrotubuli des Zytoskeletts (Antragsteller Winter, Roland )
• Untersuchung des Druckeinflusses auf Struktur und Funktion von Peptidfoldameren (Antragsteller Reiser, Oliver )
• Volumenprofil biochemisch steuerbarer Grenzflächen (Antragsteller Czeslik, Claus )
• Von kompatiblen Soluten zu Ribozymen unter Hochdruckbedingungen (Antragsteller Marx, Dominik )

• Sprecher: Professor Dr. Roland Winter