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Projekt
Charakterisierung verschiedener konformationeller Proteinzustände mit Hochdruck-NMR-Spektroskopie
Antragsteller
Professor Dr. Hans Robert Kalbitzer; Professor Dr. Werner Kremer
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Förderung
Förderung von 2013 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227612752
Das Hauptziel des Antrags ist die Detektion von (angeregten) Zuständen von Polypeptiden und Proteinen mit Hilfe der Hochdruck- NMR-Spektroskopie (HP-NMR), die wahrscheinlich in physiologischen und pathophysiologischen Polymerisations- Depolymerisations-Prozessen involviert sind. Als Beispiele von hoher physiologischer Bedeutung wurden die beiden Hauptpolymere des eukaryontischen Zytoskeletts Aktin und Tubulin ausgewählt, die Microfilamente und Mikrotubuli in der Zelle bilden, als Beispiele für pathophysiologische Polymerisation-Aggregations-Prozesse die beiden Polypeptide Abeta (beta amyloid) und IAPP (islet amyloid forming polypeptide), die an der Entwicklung der Alzheimerschen Erkrankung und des Diabetes mellitus Typ II beteiligt sind. Mit Hilfe der HP-NMR sollen die Gleichgewichte zwischen den konformationellen Zuständen strukturell und thermodynamisch charakterisiert werden und zur Polymerisation-Depolymerisation in Beziehung gesetzt werden. In Aktin- und Tubulinfilamenten ist die regulierte schnelle Polymerisation-Depolymerisation entscheidend für die ungestörte Funktion der Zelle. Sie wird durch HP-NMR kombiniert mit komplexeren NMR-Methoden wie CEST und Relaxationsdispersionsspektroskopie charakterisiert werden. Abeta und IAPP bilden Amyloid-ablagerungen, wenn sich die Krankheiten entwickeln. Der Gebrauch von 15N- und 13C-angereicherten Peptiden wird den Informationsgehalt der Hochdruck-NMR-Spektren erheblich erhöhen. HP-NMR wird dazu benutzt werden, um die freie- Energie-Landschaft abzubilden, und sollte darüber Aufschluss geben, inwieweit seltene Konformationszustände in dem pathologischen Polymerisationsprozess involviert sind. Deren Existenz könnte dann die Entwicklung von intrinsisch-allosterischen Inhibitoren ermöglichen. Mit Hilfe der Drucksprung-NMR-Spektroskopie wird die Kinetik der Depolymerisation im Detail untersucht werden. Die Charakterisierung der Proteine wird mit anderen biophysikalischen Methoden, wie HPFluoreszenz- und Infrarotspektroskopie, von anderen Partnern des Konsortiums ergänzt. Da jetzt Keramikzellen, die bis zu 300 MPa aushalten, kommerziell zur Verfügung stehen, können jetzt NMRDaten in einem Druckbereich erhalten werden, der früher nicht für uns zugänglich war. Dies wird den Informationsgehalt erheblich steigern und die Zuverlässigkeit der erhaltenen thermodynamischen Parameter erhöhen. Zusätzlich wird die HP-NMR von konformationellen Gleichgewichten in druckaktivierbaren, katalytischen Peptiden und Foldameren fortgesetzt werden, synthetischen Polypeptiden, die verschiedene funktionelle Zustände von natürlich vorkommenden Polypeptiden nachahmen. Um eine experimentelle Basis für die Verbesserung von Molekulardynamik¬rechnungen und quantenchemischen Ansätzen zu liefern, wird die Druckantwort kleiner Moleküle wie TMAO aufgeklärt werden. Hier wird auch die Wirkungsweise von kosmotropischen Molekülen im Detail untersucht werden, insbesondere auch deren mögliche Interaktionen mit Modellpeptiden und Proteinen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
