Kartographierung des Schwingungsenergietransfers in Proteinen mit Hilfe nichtkanonischer Aminosäuren und Untersuchung seiner Rolle in der allosterischen Signaltransduktion

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Bredenbeck; Professor Dr. Nediljko Budisa
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349128007

Eine wachsende Zahl von theoretischen Arbeiten kommt basierend auf Simulationen zu dem Schluss, dass zwischen funktionsrelevanten Zentren der jeweils untersuchten Proteine ausgeprägte Schwingungsenergietransfer(SET)-Pfade existieren. Ein möglicher Zusammenhang zwischen diesen Pfaden und intramolekularer Informationsübertragung (Allosterie) wird diskutiert. Allerdings steht der experimentelle Beweis für die Existenz solcher stark gerichteten Transferpfade noch aus, denn für die dazu nötige Kartographierung von SET in Proteinen fehlen bisher die geeigneten experimentellen Werkzeuge.In unserem Forschungsvorhaben möchten wir SET kartographieren, indem wir Schwingungsenergie ortsselektiv in ein Protein injizieren und anschließend ihre Übertragung in Echtzeit verfolgen - das experimentelle Gegenstück zu den oben erwähnten Simulationen.Die Kartographierung von SET in Proteinen setzt die Fähigkeiten voraus ortsselektiv Schwingungsenergie zu injizieren, ortsselektiv Schwingungsenergie zu detektieren, und, was besonders wichtig ist, den Ort für Injektion und Detektion flexibel zu wählen. Diese Flexibilität bietet uns unser kürzlich entwickeltes SET-Paar nichtkanonischer Aminosäuren. Das Paar besteht aus einem SET-Donor, der durch einen Femtosekundenpuls angeregt wird und einem VET-Sensor dessen Antwort durch einen Femtosekundenpuls im Infraroten abgefragt wird. Die Funktionsfähigkeit des SET-Paares wurde in Vorarbeiten an kleinen synthetischen Peptiden gezeigt. Hier beabsichtigen wir unsere Vorarbeiten von einfachen Peptiden auf Proteine auszudehnen. Um eine präzise Positionierung von SET-Donor und SET-Sensor zu erreichen und um die benötigte Anzahl und Mengen an Proteinmutanten herstellen zu können planen wir Erweiterungen des genetischen Codes für unsere nichtkanonischen Aminosäuren zu nutzen und die Proteine in vivo zu exprimieren. Donor und Sensor werden wir an verschiedenen Stellen im Protein positionieren, sowohl auf den in den theoretischen Arbeiten vorgeschlagenen Transferwegen als auch abseits davon. Auf diese Weise werden wir detaillierte Karten des Schwingungsenergietransfers in Proteinen erstellen. Die so bestimmten experimentellen Effizienzen und Zeitskalen für den SET zwischen verschiedenen Orten im Protein werden wir mit theoretisch vorhergesagten Werten vergleichen. Mit diesem Ansatz werden wir der großen experimentellen Herausforderung begegnen, die sich durch die theoretische Vorhersage gerichteter SET-Pfade stellt. Wir sind zuversichtlich, dass uns so der experimentelle Nachweis (oder die Widerlegung) der Existenz stark gerichteter SET-Pfade und ihrer Rolle für die allosterische Signalübertragung gelingt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen