Bakterielle Phytochrome zur bimodalen Kontrolle Cyclischer Nucleotide

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Möglich
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267795153

Phytochrome (Phy) bilden eine Klasse sensorischer Photorezeptoren, die verschiedene biologische Antworten auf rotes und fernrotes Licht vermitteln. Die Lichtabsorption treibt die bidirektionale Umwandlung der Pr und Pfr-Zustände im Phytochrom, welche unterschiedliche biologische Aktivität aufweisen. Während pflanzliche Phys nachgelagerte physiologische Antworten über licht-abhängige Protein:Protein-Wechselwirkungen vermitteln, geschieht dies bei bakteriellen Phytochromen (BphP) vornehmlich über Regulation enzymatischer Aktivität. Die licht-responsiven photosensorischen Kernmodule (PCM) von BphPs können an Enzyme gekoppelt werden, um deren Aktivität der Kontrolle durch Licht zu unterwerfen. Auf diese Weise gelang die Kontrolle von Nucleotidylcyclasen und -phosphodiesterasen (PDE), welche die weit verbreiteten Botenstoffe 3‘, 5‘-cyclisches Adenosin- bzw. Guanosinmonophosphat bilden bzw. hydrolysieren, über rotes und fernrotes Licht. Jedoch weisen die entsprechenden Enzyme bislang begrenzten katalytischen Umsatz und regulatorische Antwort auf Licht auf. Kürzlich erzielte Fortschritte zu Design und Mechanismus von BphPs ausnutzend, zielt das Vorhaben auf die Erzeugung verbesserter licht-regulierter Enzyme zur präzisen bimodalen Kontrolle der Konzentrationen cyclischer Nucleosidmonophosphate (cNMP) und nachgelagerter physiologischer Prozesse ab. BphP-basierte cNMP Cyclasen und PDEs werden erzeugt durch modularen Austausch ihrer PCMs und Effektormodule, durch Variation der sie verbindenden Linker, sowie durch Verwendung hybrider PCMs. Effiziente Screening-Plattformen erlauben die Identifikation verbesserter Varianten und deren nachfolgende enzymatische und strukturelle Charakterisierung. Entsprechende BphP-Cyclase und PDE Varianten werden in Säugerzellen eingesetzt zur optogenetischen Kontrolle von cNMP Konzentration und Ionenkanalöffnung. Um perspektivisch die erzielbare räumliche Auflösung und das Eindringvermögen in Gewebe zu verbessern, wird die Schaltung von BphPs durch Zweiphotonenabsorption von Mikrometerstrahlung untersucht. Die in verschiedenen Parametern verbesserten BphP-basierten cNMP Cyclasen und PDEs befördern optogenetische Anwendungen, denn sie erfordern keine exogen zuzusetzenden Chromophore und erlauben bidirektionale Schaltung und damit einhergehende bessere Auflösung in Raum und Zeit. Weiterhin reagieren BphPs auf Licht vergleichbar hoher Wellenlänge mit tieferem Eindringvermögen in biologischen Geweben. Schließlich befördert die Aufklärung genereller Regeln zur Erstellung BphP-basierter, schaltbarer Proteine die Erzeugung weiterer licht-regulierter Rezeptoren und erbringt Einblicke in Prinzipien und Mechanismen der Signaltransduktion.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel, Schweden
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Jens Bredenbeck; Professor Dr. Igor Schapiro; Professorin Dr. Dagmar Wachten; Professor Dr. Sebastian Westenhoff