Laseranlage zur Bestrahlung von NMR-Proben im Magneten

• Fachliche Zuordnung: Molekülchemie
• Förderung: Förderung in 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280251937

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der NMR-Gruppe des Zentrums für Biomolekulare Magnetische Resonanz (BMRZ) wurde die im Antrag geförderte Laseranlage an drei NMR-Spektrometern gekoppelt. Sie wurde in eine Reihe von Verbundprojekten in vier thematischen Schwerpunkten eingesetzt. 1) Untersuchung von Umfaltungsreaktionen in Nukleinsäuren: Die komplexen Energielandschaften von DNA- und RNA-Oligonukleotiden führen oftmals zu einem ausgeprägten Polymorphismus. Mittels photolabiler Schutzgruppen können einzelne Konformationen aus diesen Energielandschaften selektiert werden, um dann anschließend nach Photolyse bei 355nm deren Rückkehr ins Gleichgewicht mit Koexistenz verschiedener Faltungszustände zu detektieren. So konnten wir Umfaltungsreaktionen von Riboschaltern und DNAs untersuchen. 2) Mechanistische Untersuchung der Lichtreaktion von G-protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs): Durch Einstrahlung sichtbaren Lichtes können wir im NMR-Spektrometer den lichtaktiven Zustand des Rhodopsins herbeiführen. So konnten wir das Verhalten von Rhodopsin und Mutanten nach Lichteinstrahlung in An- und Abwesenheit von Arrestins untersuchen und zeigen, dass in der Anwesenheit von Arrestin ein anderer Zerfallsweg von Rhodopsin bevorzugt eingeschlagen wird, was zu einer etwa zweifach langsameren Freisetzung von Retinol führt. 3) Entwicklung von neuen photogeschützten Liganden und Methoden zur Einbringung photolabiler Schutzgruppen in große RNAs: Wir haben photoaktive Varianten von Puromycin hergestellt, die zur Kontrolle der Translation von Proteinen eingesetzt werden können. Mit der klassischen Festphasensynthese ist die Einbringung von photolabiler Nukleotide nur für kurze RNAs möglich. Wir haben eine chemo-enzymatische Methode entwickelt, die es erlaubt einzelne Nukleotide an jeder Stelle innerhalb einer RNA ohne Längenlimitierung einzubringen. Mittels Laserbeleuchtung im NMR-Spektrometer konnten so lichtinduzierte Umfaltungsreaktionen von Varianten des 2’dG-sensitiven Riboschalters untersucht werden. 4) Entwicklung von Photoschaltern: G-Quadruplexe können interessante strukturelle Gerüste in der DNA-Nanoarchitektur sein. Ziel dieser Arbeiten war es einen minimalen schaltbaren intermolekularen G-Quadruplex herzustellen. Dies konnte durch das Einbringen eines photoschaltbaren Azobenzolderivates in die Nukleinsäurekette erreicht werden. Mittels Laserbeleuchtung im NMR-Spektrometer konnte zwischen einem entfalteten Ensemble und dem strukturierten G-Quadruplex reversibel hin und her geschaltet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Design of Photocaged Puromycin for Nascent Polypeptide Release and Spatiotemporal Monitoring of Translation. Angewandte Chemie International Edition, 54(12), 3717-3721.
  Buhr, Florian; Kohl‐Landgraf, Jörg; tom Dieck, Susanne; Hanus, Cyril; Chatterjee, Deep; Hegelein, Andreas; Schuman, Erin M.; Wachtveitl, Josef & Schwalbe, Harald
  
• Influence of Arrestin on the Photodecay of Bovine Rhodopsin. Angewandte Chemie International Edition, 54(46), 13555-13560.
  Chatterjee, Deep; Eckert, Carl Elias; Slavov, Chavdar; Saxena, Krishna; Fürtig, Boris; Sanders, Charles R.; Gurevich, Vsevolod V.; Wachtveitl, Josef & Schwalbe, Harald
  
• Photoresponsive Formation of an Intermolecular Minimal G‐Quadruplex Motif. Angewandte Chemie International Edition, 55(8), 2738-2742.
  Thevarpadam, Julie; Bessi, Irene; Binas, Oliver; Gonçalves, Diana P. N.; Slavov, Chavdar; Jonker, Hendrik R. A.; Richter, Christian; Wachtveitl, Josef; Schwalbe, Harald & Heckel, Alexander
  
• Light-induced antibiotic release from a coumarin-caged compound on the ultrafast timescale. Physical Chemistry Chemical Physics, 19(22), 14835-14844.
  Herzig, L.-M.; Elamri, I.; Schwalbe, H. & Wachtveitl, J.
  
• A New Photocaged Puromycin for an Efficient Labeling of Newly Translated Proteins in Living Neurons. ChemBioChem, 19(23), 2458-2464.
  Elamri, Isam; Heumüller, Maximilian; Herzig, Lisa‐M.; Stirnal, Elke; Wachtveitl, Josef; Schuman, Erin M. & Schwalbe, Harald
  
• Chemo‐Enzymatic Synthesis of Position‐Specifically Modified RNA for Biophysical Studies including Light Control and NMR Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition, 57(37), 12017-12021.
  Keyhani, Sara; Goldau, Thomas; Blümler, Anja; Heckel, Alexander & Schwalbe, Harald
  
• Life times of metastable states guide regulatory signaling in transcriptional riboswitches. Nature Communications, 9(1).
  Helmling, Christina; Klötzner, Dean-Paulos; Sochor, Florian; Mooney, Rachel Anne; Wacker, Anna; Landick, Robert; Fürtig, Boris; Heckel, Alexander & Schwalbe, Harald