Design Elektronen-leitender Protein-Protein-Wechselwirkungen und geordneter, redox-aktiver Proteinaggregate

• Antragsteller: Dr. Julian Esselborn
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393131496

Dieses Projekt zielt darauf ab artifizielle Protein-Bindestellen zu entwerfen, die Metalle als Bindemittel zwischen den Proteinen einsetzen. Ziel ist es stabile Protein-Protein Komplexe herzustellen, die gleichzeitig eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Zentren für Reduktion/Oxidation innerhalb der beiden Proteine über die Metalle in der Bindestelle aufweisen. Um die dafür notwendige Fähigkeit zu Reduktion/Oxidation der zwischen den Proteinen liegenden Metalle selbst zu ermöglichen, sollen drei verschiedene Metalle in Form von Kupfer-Ionen, Eisen-Ionen als zentrale Atome in Häm-Kofaktoren, sowie Eisen/Schwefel Cluster des [4Fe4S]-Typs getestet werden. Diese drei stellen die wichtigsten Mittel für metal-basierten Elektronentransfer in der Natur dar.Jedes dieser leitenden Elemente benötigt eine unterschiedliche und hoch spezialisierte Proteinumgebung, die computer-gestützt entworfen werden soll, bevor die Proteine in Escherichia coli hergestellt und gereinigt werden. Anschließend soll die Bildung von Protein-Protein-Komplexen sowie die Fähigkeit zu Reduktion/Oxidation bei Zugabe des jeweiligen Metalls bzw. Metall-Kofaktors getestet werden. Sollte einer der drei Ansätze ein Protein-Dimer mit Elektronentransfer über die Bindestelle hinweg zu generieren erfolgreich sein, wird die Methode auf die Bildung von größeren Strukturen ausgeweitet. Für andere Proteine mit nicht-leitenden Metallen konnte bereits die Bildung von hochgradig geordneten Komplexen einiger zehntausend Proteine nachgewiesen werden. Durch den Einsatz von Protein-Bindestellen in passender Anordnung wurden dabei flächige Strukturen im µm-Maßstab erreicht.Da einige Elektronen-verbrauchende bzw. -bereitstellende Reaktionen, die durch spezialisierte Enzyme katalysiert werden, von biotechnologischem Interesse sind, ist es ein wichtiges Ziel in der Biochemie diese Enzyme mit günstigen Reaktionen zu koppeln. Der Verbrauch von günstigem Wasserstoff zur Bereitstellung von Elektronen oder sogar durch Lichtanregung sind einige der Möglichkeiten. Methoden diese Enzyme miteinander zu „verdrahten“ sind dabei bisher noch kaum entwickelt und sollen daher in diesem Projekt etabliert werden.Größere Elektronen-leitende Strukturen aus Proteinen wären darüber hinaus wichtige Forschungswerkzeuge um den Elektronentransfer in biologischen Systemen über längere Entfernungen zu verstehen und könnten außerdem zu wertvollen biologischen Bausteinen für elektrische Schaltungen im nm bis µm Bereich entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor F. Akif Tezcan, Ph.D.