Computergestuetztes design von kuenstlichen Protein-Photorezeptoren fuer optogenetische Anwendungen

• Antragsteller: Florian Richter, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242850983

Zielsetzung dieses Antrags ist die methodische Verbindung der noch neuen Techniken des computer-gestuetzten Proteindesigns (CPD im folgenden) und Optogenetik. Aufgabe von CPD ist das Design von Proteinen mit neuen Funktionen. Optogenetik bezeichnet die Kontrolle von biologischen Prozessen durch Licht. Die mechanistische Grundlage aller optogenetischen Anwendungen sind sogenannte Photorezeptoren, d.h. eine Klasse von lichtempfindlichen Proteinen. Bisherige optogenetische Anwendungen basieren entweder auf natuerlich vorkommenen, oder auf eher simpel designten kuenstlichen Photorezeptoren. Kuenstliche Photorezeptoren sind ihren natuerlichen Vorbildern normalerweise in mehreren Belangen unterlegen. Um die Eigenschaften kuenstlicher Photorezeptoren zu verbessern, bzw. um bessere kuenstliche Photorezeptoren zu erschaffen, beabsichtigen wir, CPD zusammen mit experimentellen Hochdurchsatz-Screening-Methoden einzusetzen. Dies sollte es ermoeglichen, biologische Prozesse die bisher nicht optogenetisch manipulierbar waren, mit Hilfe kuenstlicher Photorezeptoren zu steuern. Als spezifisches Projekt planen wir, CPD in Kombination mit einem Fluoreszenz-basierten Hochdurchsatzassay zu verwenden um eine heterodimere Variante eines natuerlich vorkommenden, homodimeren Photorezeptor-proteins herzustellen. Dieser kuenstliche, heterodimere Photorezeptor koennte dann dazu verwendet werden um die Aktivitaet von anderen heterodimeren Proteinen (und demtentsprechend die darauf basierenden biologischen Prozesse) licht-sensibel zu machen. Beispiel waeren z.b. G-proteine oder bestimmte Transkriptionsfaktoren. Wir beabsichtigen, G-protein basierte Signaltransduktion unter optogenetische Kontrolle zu stellen. Mithilfe von CPD wollen wir Fusionen zwischen dem heterodimeren Photorezeptor und der beta/gamma Untereinheit von heterotrimeren G-Proteinen (welche eine zentrale Rolle in Signaltransduktion durch G-proteine spielt), und dann einen Hochdurchsatzassay basiered auf Hefezellenoberflaechendisplay einsetzen um Fusionen zu isolieren, bei welchen die Affinitaet fuer die Galpha Untereinheit lichtabhaengig ist. Falls erfolgreich, koennte dieses Projekt die Grundlagen fuer das lichtgesteuerte Ausloesen von Signalprozessen in Saeugerzellen schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen