Dynamische Strukturänderungen des photoaktiven Orange Carotenoid Proteins

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379950877

Das Projekt verfolgt das Ziel, den Mechanismus der Photoaktivität des Orange Carotenoid Proteins (OCP) mit spektroskopischen und strukturbiologischen Methoden aufzuklären. OCP ist ein photoschaltbarer Pigment-Protein-Komplex, der in Cyanobakterien für den photoprotektiven Prozess des nicht-photochemischen Quenchings (NPQ) verantwortlich ist. OCP zählt zu den Blaulichtrezeptoren, mit der Eigenschaft, ein Keto-Carotinoid als Chromophor zu koordinieren, und ist ein interessantes Modell für photoaktive oder photoprotektiv wirksame Proteine, lichtregulierte Prozesse oder biologische Sensoren. Trotz Fortschritten in den letzten Jahren ist die Struktur des roten, aktiven Signalzustands von OCP, OCPR, noch unbekannt, weil dieser gegen der orangenen, inaktiven Form OCPO durch eine höhere Flexibilität gekennzeichnet ist, so dass keine Kristalle für Röntgenstrukturanalysen gewonnen werden können. Die OCPR-Struktur stellt den Schlüssel für das Verständnis der biologischen Funktion von OCP und seiner Wechselwirkungen mit anderen Komponenten der NPQ-Regulation dar. Daher verfolgt das Projekt einen alternativen Ansatz zur Strukturaufklärung des OCPR-Zustands, die mehrdimensionale NMR-Spektroskopie in Lösung. Komplementiert werden diese Experimente durch Kleinwinkel-Röntgen- oder Neutronenstreuung, die für die Bestimmung der Struktur der OCP-Komplexe mit anderen Proteinen wichtig sind, und Quasielastischer Neutronenstreuung, um die Proteindynamik auf der Ebene einzelner Aminosäuren oder ganzer Proteindomänen auf den für biologische Prozesse relevanten Zeitskalen zu erfassen. Zu diesen Zwecken wird das OCP-Protein, und geeignete Varianten (z.B. Mutanten für Struktur-Funktions-Untersuchungen hinsichtlich wichtiger Carotinoid-Protein-Wechselwirkungen) in carotinoid-produzierenden E. coli-Stämmen exprimiert (beta-Carotin, Echinenone, Canthaxanthin und Zeaxanthin) und mit chromatographischen Techniken aufgereinigt. Hierdurch können auch geeignete Isotopenmarkierungen für die Zuordnung der NMR-Signale eingebracht werden. Die Expressionsexperimente schließen auch die isolierten N- und C-terminalen Domänen von OCP ein, die als weniger komplexe Ausgangskonstrukte wertvolle Daten für die NMR-Strukturaufklärung des Gesamtproteins liefern. Um strukturelle mit funktionellen Eigenschaften zu korrelieren, werden die Proteine mit ultraschneller Absorptionsspektroskopie, FT-IR und Raman-Spektroskopie, zeitaufgelöster Fluoreszenz- und Korrelationsspektroskopie charakterisiert, um zu einem konsistenten Verständnis der Photoaktivität von OCP und seiner Rolle im NPQ-Prozess zu gelangen. Darüber hinaus werden die Experimente breit anwendbare Erkenntnisse über die natürlichen Bauprinzipien von Photorezeptoren, Protein-Chromophor-Wechselwirkungen und der Anpassung der spektralen Eigenschaften auf gezielte Funktionen liefern. Zudem können die Ergebnisse dazu dienen, neue biologische lichtschaltbare Sensorsysteme zu entwickeln, die auch in der Optogenetik Anwendung finden könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Eugene G. Maksimov, Ph.D.