Membrantransport über elektrostatische 'charge zipper'

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Marcus Elstner; Professorin Dr. Anne Ulrich
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biophysik ; Strukturbiologie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246585620

Unser Forschungsvorhaben befasst sich mit sogenannten 'charge zippern', die wir kürzlich als neuartiges Strukturmotiv in Membranproteinen identifiziert haben [Walther et al. Cell, 2013]. Betrachtet man in solch einem System die geladenen Aminosäuren, so weisen diese entlang der Proteinsequenz ein quasi-symmetrisches Muster aus komplementären Ladungen auf. Dies legt die Vermutung nahe, dass sich lange Leitern aus Salzbrücken zwischen amphiphilen alpha helikalen Segmenten ausbilden können. Indem diese 'charge zipper' die hydrophobe Lipiddoppelschicht durchspannen, könnten sie z.B. Protonen selektiv durch die Membran leiten oder auch eine größere Pore auskleiden. Anhand von zwei Peptidsystemen, für die wir ein solches Strukturmotiv vorhergesagt haben, sollen nun erstmalig die dreidimensionalen Proteinstrukturen und oligomeren Komplexe charakterisiert werden, um die funktionelle Relevanz der postulierten charge zipper zu analysieren. Zum einen steht das bakterielle Peptid TisB (29 Aminosäuren) im Fokus, welches in E. coli unter Stress gebildet wird und die Bildung von Biofilmen induziert. Funktionstests und Festkörper-NMR Untersuchungen haben in unseren Vorarbeiten gezeigt, dass TisB durch Einlagerung in eine Membran zu einem kontrollierten Abbau des Protonengradienten führt. Erste coarse-grained und all-atom Simulationen scheinen die Vermutung zu bestätigen, dass TisB über mehrere Salzbrücken zu einem antiparallelen Dimer assembliert und entlang dieses charge zippers Protonen (oder OH- Ionen) durch die Membran transportieren kann. Mit Hilfe von Festkörper-NMR Abstandsmessungen und durch Abzählen der Monomere möchten wir nun untersuchen, ob und wie die erwarteten Salzbrücken genau in der Membran vorliegen. Parallel dazu sollen Molekulardynamik Simulationen mit empirischen Kraftfeldern sowie darauf beruhende Berechnungen zur statistischen Thermodynamik zur Anwendung kommen. Anhand der Freien Energieprofile der Ionen beim Transport über ein TisB Dimer werden sich verschiedene Mechanismen unterscheiden lassen. Kombinierte Quantenmechanische/Molekularmechanische Methoden sollen eine genauere Beschreibung der lokalen Wechselwirkungen liefern. Im zweiten Teil sollen die an TisB etablierten experimentellen und theoretischen Methoden zur Untersuchung des antimikrobiellen Proteins Dermcidin aus menschlichem Schweiß eingesetzt werden. Mit einer Länge von 48 Aminosäuren bindet diese amphiphile helikale Sequenz zunächst an die Oberfläche von bakteriellen Membranen, wie wir mittels orientierter Zikulardichroismus-Spektroskopie gezeigt haben. Gemäß des charge zipper Modells könnten sich nun bis zu sieben intra- und intermolekulare Salzbrücken ausbilden, wenn sich das Protein als helikale Haarnadel faltet und zu einer Pore oligomerisiert. Nach räumlichen Gesichtspunkten hätte Dermcidin dann eine optimale Länge um die Lipiddoppelschicht zu durchspannen und somit die Bakterien durch eine hohe Ionenleitfähigkeit absterben zu lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen