Molekulare Mechanismen hinter der Protein-Halotoleranz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Halophile Organismen (Halophile) haben die Fähigkeit, bei molaren externen NaCI-Konzentrationen zu überleben. Um den hohen osmotischen Stress auszugleichen, der durch diese Konzentrationen verursacht wird, akkumulieren einige Halophile äquivalente Konzentrationen von KCI in ihrem Zytoplasma. Die Proteine von Halophilen haben sich an diese Bedingungen angepasst, indem sie ihre Aminosäurezusammensetzung verändert haben. Der dramatischste Unterschied besteht darin, dass halophile Proteine im Durchschnitt reicher an sauren Aminosäuren sind als mesophile Proteine. In diesem Projekt haben wir Molekulardynamiksimulationen mit klassischen potenziellen Energiefunktionen (Kraftfeldern) verwendet, um Mechanismen auf molekularer Ebene zu untersuchen, die diesen Unterschied in der Aminosäurezusammensetzung erklären können. Dazu benötigen wir Kraftfelder mit dem richtigen Gleichgewicht der Wechselwirkungen zwischen allen Spezies, sowohl bei niedrigen als auch bei hohen KCI-Konzentrationen. Die von uns verwendeten Kraftfelder erfüllten diese Anforderung für die meisten Wechselwirkungen; das Wechselwirkungspotenzial zwischen Kalium- und Carboxylatlonen war jedoch von schlechter Qualität, so dass es von uns optimiert wurde. Unser nächster Schritt bestand darin, 5 Paare von halophilen und mesophilen Proteinen zu identifizieren. Simula tionen dieser 10 Proteine ergaben, dass Proteine mit einem größeren Anteil an sauren Aminosäuren tatsächlich einen höheren Hydratationsgrad aufweisen. Der Hydratationsgrad der einzelnen Proteine ist jedoch bei niedrigen und hohen KCI-Konzentrationen identisch, was darauf hindeutet, dass überschüssige saure Aminosäuren nicht notwendig sind, um Proteine bei hohen Salzkonzentrationen hydratisiert zu halten, wie in der Literatur angenommen wird. Es wurde auch vorgeschlagen, dass kooperative Wechselwirkungen zwischen sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen und hydratisierten Kationen die gefaltete Proteinstruktur stabilisieren und zu einer langsameren Dynamik der Solvatationsschale führen würden. Wir fanden heraus, dass sich die Translationsdynamik der Solvatationsschale zwischen halophilen und mesophilen Proteinen kaum unterscheidet, dass aber dennoch ein solcher kooperativer Effekt vorhanden ist, wenn auch nur schwach. Das Ausmaß des kooperativen Effekts haben wir durch Berechnungen der freien Energie quantifiziert. Die Berechnungen zeigten, dass dieser Mechanismus einen elektrostatischen Ursprung hat und von subtilen Wechselwirkungen zwischen zwei sauren Aminosäuren und ihren Nachbarn abhängt. Wichtig ist, dass diese Studie ergab, dass der kooperative Effekt nicht, wie bisher angenommen, auf starre relative Ausrichtungen benachbarter saurer Aminosäuren zurückzuführen ist. Diese Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass einige der allgemein angenommenen Mechanismen, die das häufige Vorkommen saurer Aminosäuren in halophilen Organismen erklären sollen, nicht zutreffen, andere hingegen schon.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Proteins maintain hydration at high [KCl] concentration regardless of content in acidic amino acids. Biophysical Journal, 120(13), 2746-2762.
Geraili, Daronkola Hosein & Vila, Verde Ana
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The Role of Acidic Amino Acids in the Hydration and Stabilization of ¨ Halophilic Proteins; Die Rolle Saurer Amino Sauren Bei Der Hydratation Und Stabilisierung Von Halophilen Proteinen. PhD Thesis, University of Potsdam, Germany, 2021
H. Geraili Daronkola
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Prevalence and mechanism of synergistic carboxylate-cation-water interactions in halophilic proteins. Biophysical Journal, 122(12), 2577-2589.
Geraili, Daronkola Hosein & Vila, Verde Ana
