Kleine K + Kanäle sind Modellproteine zum Verstehen von grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Membranproteinen und deren umliegender Doppelschicht mit Relevanz für die Struktur und Funktion

• Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Thiel
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290743586

Struktur/Funktionsbeziehungen von Membranproteinen können in ihrer Gesamtheit nur verstanden werden, wenn man die komplexe Interaktion der Proteine mit ihrer Membranumgebung berücksichtigt. In den vergangenen zehn Jahren wurden dazu grundlegende Erkenntnisse über Architektur und Einbettung von Transmembrandomänen (TMD) in Lipidbilayer gewonnen. Eine systematische Untersuchung von einfachen, synthetischen Membranproteinen, die einmal die Membran durchspannen, hat dabei grundlegende Regeln für den Bau von a-helikalen TMDs hervorgebracht. In dem hier vorgeschlagenen Projekt soll diese systematische Untersuchung von Struktur/Funktionskorrelaten von Membranproteinen fortgeführt werden, wobei die Untersuchung nun auf die nächste Ebene an Komplexität, die auch mit einer messbaren Funktion verbunden ist, gebracht werden soll. Als ideale Werkzeuge dafür bieten sich kleine virale K+ Kanäle mit unterschiedlichen TMDs an. Die Untereinheiten dieser funktionellen Kanalproteine bestehen im Wesentlichen aus zwei TMDs, die gerade lang genug sind, um eine Membran zu durchspannen. Aus reichhaltigen experimentellen und strukturellen Vorarbeiten sind schon wichtige Struktureigenschaften in den TMDs der Kanäle, die für die Positionierung und Verankerung der Proteine in der Membran verantwortlich sind, bekannt. Wichtig für die Umsetzung des Vorhabens sind experimentelle Fortschritte, die es erlauben, die Proteine in vitro in sogenannten nano-discs zu synthetisieren, um dann deren Funktion nach Rekonstitution in verschiedenen planaren Lipidbilayer in Form von Einzelkanalschalten zu messen. In den geplanten Arbeiten werden Kanalproteine mit unterschiedlichen TMDs systematisch in Bilayern mit unterschiedlichen physikochemischen Membraneigenschaften (wie Bilayerdicke, unterschiedliche Kopfgruppen, ± Cholesterol) rekonstituiert und funktionell charakterisiert. Die Arbeiten werden ergänzt durch strukturelle Untersuchungen in denen mit Hilfe von Kleinwinkelstreumessungen der Einfluss der gleichen Kanalproteine auf die Membrangeometrie untersucht wird. Mit hoch auflösender Mikroskopie wird ferner eine Clusterbildung von Kanalproteinen in unterschiedlichen Membranen untersucht. Zusammengenommen werden die Untersuchungen fundierte Daten über Struktur/Funktionszusammenhänge von einfach gebauten Kanalproteinen in variablen Membranumgebungen liefern. Im Detail wird der Einfluss von Membraneigenschaften auf Kanalschalten und Kanalleitfähigkeit verstanden werden. Die Daten werden ferner zeigen wie die beiden Partner, Membran und Protein, Unterschiede in der Länge der TMDs bezogen auf die Dicke der Membran kompensieren ohne dabei die Funktion zu kompromittieren. Die Tatsache, dass die generelle Struktur der kleinen viralen K+ Kanäle der von komplexen Kanälen entspricht, eröffnet die Möglichkeit, Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen auf physiologisch relevante K+ Kanäle zu extrapolieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen