Stabilität halophiler Proteine: Wettbewerb zwischen hydrophober und elektrostatischer Solvation

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Dzubiella
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27849099

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt wurden wichtige wissenschaftlich Fortschritte erbracht: Die EN Gruppe motivierte die thermodynamische Kraftfeldentwicklung von wässrigen Elektrolyten und führte eine modifizierte PB Gleichungen und realistische, spezifische hydratisierte Ionenradien für lösungsmittelfreie Simulationen ein. Die EN Gruppe fand heraus, dass repulsive Solvationskräfte durch stark an Oberflächen adsorbierte Ionenschichten herrschen, die auch für die Stabilität (Dispersion) halophiler Proteine in Lösung ein Rolle spielen könnten. Weiterhin fand die EN, dass direkte Bindungs- und Adsorptionseffekte von Ionen an spezifischen Aminosäuregruppen neutrale Sekundärstrukturen destabilisieren, aber geladene Strukturen stabilisieren können, wobei aber auch kooperative ionische Effekte eine Rolle spielen. Die ionische Bindung hat auch einen signifikanten Einfluss auf die Faltungskinetik von Peptiden, was von der EN Gruppe das erste Mal gezeigt wurde. Eine Schlussfolgerung der Studie im Hinblick auf die Stabilität der Sekundärstruktur halophiler Proteine könnte sein, dass die geladenen sauren Oberflächengruppen der halophilen Proteine die neutralen, funktionalen Sekundärmotive im Protein schützt, indem es das Salz bindet und von den für die Funktion wichtigen Strukturen fernhält. Wissenschaftliche Fehleinschätzungen und damit überraschend waren die vorgefundenen Kraftfelder für Ionen in den Simulationspaketen, die speziell bei hohen Konzentrationen sehr fehlerhaft waren. Auch der Simulationsaufwand schon für das Studium des Gleichgewichtsverhaltens kleiner Peptide war überraschend hoch.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Salt-specific stability and denaturation of a short salt-bridge forming alpha-helix. J. Am. Chem. Soc. 130(42), 14000-14007 (2008)
  J. Dzubiella
  
• Ion specific correlations in bulk and at biointerfaces. J. Phys.: Condens. Matter, 21, 424108 (2009)
  I. Kalcher, D. Horinek, R. R. Netz, and J. Dzubiella
  
• Salt-specific stability of short and charged alanine-based alpha-helices. J. Phys. Chem. B 113, 16689 (2009)
  J. Dzubiella
  
• Structure - thermodynamics relation of electrolyte solutions. J. Chem. Phys. 130, 134507 (2009)
  I. Kalcher and J. Dzubiella
  
• Electrolytes in nano-confinement: ion-specific structure and solvation forces. J. Chem. Phys. 132, 164511 (2010)
  I. Kalcher, J. C. F. Schulz, and J. Dzubiella
  
• Ion specificity at the peptide bond: Molecular dynamics simulations of N-methylacetamide in aqueous salt solutions. J. Phys. Chem. B 114, 1213 (2010)
  J. Heyda, J. Vincent, D. Tobias, J. Dzubiella, and P. Jungwirth
  
• Ion-specific excluded-volume correlations and solvation forces. Phys. Rev. Lett. 104, 097802 (2010)
  I. Kalcher, J. C. F. Schulz, and J. Dzubiella
  
• Ion-specificity in a-helical folding kinetics. J. Phys. Chem. B 114, 13815 (2010)
  Y. von Hansen, I. Kalcher, and J. Dzubiella
  
• Molecular insights into the ion-specific kinetics of anionic peptides. J. Phys. Chem. B 114, 7098 (2010)
  J. Dzubiella
  
• Effects of Hofmeister ions on the α-helical structure of proteins. J. Dzubiella, Biophys. J. 102, 907 (2012)
  A. H. Crevenna, N. Naredi-Rainer, D. C. Lamb, R. Wedlich-Söldner, J. Dzubiella