Entwicklung und Anwendung von protonendetektierter Festkörper-NMR-Spektroskopie zur Aufklärung von Membranproteinfunktionalität

• Antragsteller: Professor Dr. Rasmus Linser, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270263529

Festkörper-NMR hat wachsende Bedeutung für Aufklärung von Struktur und Dynamik von Proteinen, v. a. Amyloiden und Membranproteinen. Während herkömmliche Methodik allein auf der Detektion von Nicht-Protonen-Resonanzen basiert, nimmt das Interesse an der intrinsisch achtfach empfindlicheren Detektion von Protonen gegenüber 13C seit kurzem stark zu. Die Verfügbarkeit von 1H-Resonanzen in der Festkörper-NMR ist technischen und methodischen Entwicklungen zu verdanken, für die meine wissenschaftlichen Beiträge eine tragende Rolle gespielt haben.Wir haben Protonen für etliche, nun weit verbreitete technische Zwecke eingesetzt. Trotz der ubiquitären Rolle von Protonen/Wasserstoff für alle zellulären Prozesse sind 1H-Informationen in Bezug auf Proteinfunktionalität allerdings kaum genutzt worden. Das gilt insbesondere für die bedeutsame Klasse der Membranproteine. Von den unzähligen biologischen Prozessen, die auf einem Zusammenspiel von Proteinen mit Protonen/Wasserstoffatomen fußen, liegt unser Fokus auf zwei repräsentativen Klassen von Membranproteinen, Spannungssensoren (engl. "voltage sensors", VS) und integralen Membranproteasen.VS sind Teil verschiedener Ionenkanäle und Enzyme von großer Bedeutung besonders für neuronale Membranpotentiale. Wir werden NMR Methoden, die Protonenverhalten charakterisieren, auf einen kleinen, repräsentativen VS, von dem Struktur, Spannungsaktivierung und 1H-Leitungsmechanismus kaum verstanden sind, inkl. Mutanten, von denen aktivierte und passivierte Zustände zu erwarten sind, anwenden. Damit werden wir die Mechanismen der 1H-Leitung und die potentialabhängigen konformationellen Änderungen bei Spannungsaktivierung aufklären.Integrale Membranproteasen sind Enzyme, die durch regulierte Intramembranproteolyse (RIP) Teil verschiedener Signalkaskaden sind. Dieser verbreitete Mechanismus spielt eine bedeutende Rolle im Signaling, transkriptionaler Regulation, z. B. von Lipidbiosynthese, und für Spaltung von Proteinen wie dem Amyloid Precursor Protein (APP). Anhand einer solchen, repräsentativen Protease werden wir grundsätzliche Fragen zur Domänenmobilität, zum Substrateintritt und zum Wassertransport zum im hydrophoben Raum der Membran verborgenen aktiven Zentrum klären.In beiden Fällen hängt das Verständnis der Mechanismen mit atomarer Auflösung ab von Detailinformationen über Interaktionen des Lösungsmittels mit exponierten Seitenketten, Protonierungszuständen, Trajektorien sowie physikochemischen Eigenschaften, die Protonen-/Wassertransfers charakterisieren, und zusätzlich von den generellen strukturellen und Dynamikparametern in der Lipidumgebung.Basierend auf meiner Expertise in der Entwicklung und Anwendung 1H-detektierter Festkörper-NMR sowie in Bezug auf Membranproteine wird diese Studie zur Charakterisierung von Protonen in ihrem biologischen Kontext den Weg für zuvor nicht erreichbare Einblicke in grundlegende Proteinfunktionalität ebnen und methodisches Rüstzeug für zukünftige Strukturbiologie liefern.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen