Aufklärung der Funktionsweise mikrobieller Rhodopsine mittels Festkörper-NMR in Kombination mit rechnergestützen Methoden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Rhodopsine kommen in allen Phyla des Lebens vor und sind wahrscheinlich die häufigsten phototrophen Systeme. Ihre Funktionen erstrecken sich von der Signalweiterleitung, über das Pumpen von Ionen bis hin zur Kanalsteuerung. Dennoch basieren alle Rhodopsine auf einer ähnlichen Grundstruktur mit 7 transmembranen Helices und einem an ein konserviertes Lysin gebundenem Retinal. Proteorhodopsine (PRs) sind die größte Untergruppe und ihre Entdeckung lieferte den ersten Nachweis für einen bakteriellen Photorezeptor auf Retinalbasis. Ihre Häufigkeit in mikrobiellen Gemeinschaften in den lichtdurchlässigen Schichten der Meere und ihre Fähigkeit, als lichtgetriebene Protonenpumpen zu fungieren, die einen transmembranen elektrochemischen Gradienten erzeugen, machen die retinalbasierte Phototrophie zu einem sehr wichtigen bioenergetischen Faktor in marinen Ökosystemen. PRs weisen ein hohes Maß an evolutionärer Anpassung an das Umgebungslicht auf, was zu blau- und grün-absorbierenden Varianten führt. Diese sind mit einem konservierten Glutamin/Leucin an Position 105 korreliert. Auf der Grundlage eines integrierten Ansatzes, der DNP-verstärkte Festkörper-NMR- Spektroskopie und linear skalierende QM/MM-Methoden kombiniert, konnten wir zeigen, dass dieser einzelne Rest für eine Vielzahl synergistisch gekoppelter struktureller und elektrostatischer Veränderungen entlang der Retinalkette, des Iononrings und innerhalb der Bindungstasche verantwortlich ist. Gemeinsam erklären sie die beobachtete Farbverschiebung. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Unterschiede in der chemischen Verschiebung zwischen Kernen innerhalb derselben Reste in grünen und blauen Proteorhodopsinen auch eine Korrelation mit dem jeweiligen Konservierungsgrad. Unsere Daten zeigen, dass die hochkonservierte Farbänderung hauptsächlich andere hochkonservierte Reste betrifft, was ein hohes Maß an Robustheit des Farbphänotyps gegenüber Sequenzvariationen illustriert. Neben neuen Einblicken in die Farbanpassung von PRs unterstreicht unsere Studie auch die Stärke der Kombination von Festkörper-NMR-Spektroskopie inklusive DNP mit neuartigen QM/MM-Methoden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Automated Fragmentation Quantum Mechanical Calculation of 15N and 13C Chemical Shifts in a Membrane Protein. Journal of Chemical Theory and Computation, 19(20), 7405-7422.
Zhang, Jinhuan; Kriebel, Clara Nassrin; Wan, Zheng; Shi, Man; Glaubitz, Clemens & He, Xiao
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Structural and functional consequences oftheH180A mutation of the light-driven sodium pump KR2. Biophysical Journal, 122(6), 1003-1017.
Kriebel, Clara Nassrin; Asido, Marvin; Kaur, Jagdeep; Orth, Jennifer; Braun, Philipp; Becker-Baldus, Johanna; Wachtveitl, Josef & Glaubitz, Clemens
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Molecular mechanisms and evolutionary robustness of a color switch in proteorhodopsins. Science Advances, 10(4).
Mao, Jiafei; Jin, Xinsheng; Shi, Man; Heidenreich, David; Brown, Lynda J.; Brown, Richard C. D.; Lelli, Moreno; He, Xiao & Glaubitz, Clemens
