Dispersive Wechselwirkungen in fluorinierten Biopolymeren

• Antragstellerin: Dr. Ana Vila Verde, seit 4/2019
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398048621

Die Struktur und Funktion von Biopolymeren wird durch das Gleichgewicht verschiedener Arten von Wechselwirkungen bestimmt: elektrostatische, dispersive und hydrophobe Wechselwirkungen. Letztere sind wichtig, um den “Hydrophoben Effekt” zu verstehen, der mit der Aggregation apolarer, gelöster Stoffe in wässeriger Umgebung verknüpft ist. Dispersive Wechselwirkungen spielen folglich eine wichtige Rolle für die Struktur und Dynamik von Biopolymeren, welche zur Ausbildung und Stabilisierung von Proteinansammlungen führt. Es ist gezeigt worden, dass Fluorinierung kleiner Moleküle dahin die Balance zwischen elektrostatischen und dispersiven Wechselwirkungen verändert und so deren Eigenschaften beeinflusst. Ähnliche Effekte sind auch für Peptide, Proteine und andere Biopolymere zu erwarten. Um den Einfluss von Fluorinierung auf hydratisierte Biopolymer zu untersuchen, werden wir molekulare Simulationen auf atomarem Niveau verwenden und diese Simulationen mit den Raman-Experimenten unserer Kollaborationspartner vergleichen. First-principles-Simulationen von fluorinierten und nichtfluorinierten kleinen Molekülen in Gasphase und in Lösung werden uns ermöglichen, die Balance zwischen elektrostatischen und dispersiven Wechselwirkungen anhand der Elektronenstruktur zu analysieren. Diese Berechnungen dienen außerdem als Referenzdaten für die Entwicklung von klassischen Kraftfeld-Parametern. Unter Benutzung der so entwickelten Parameter werden klassische Molekulardynamiksimulationen auf einer größeren Skala den Einfluss der Fluorinierung auf dispersive Wechselwirkungen in Biopolymeren und deren Abhängigkeit von Polymerlänge, -konformation und struktureller Flexibilität aufzeigen. Diese Aspekte sind wichtig für Proteine, können aber in den sehr kleinen Molekülen, welche typischerweise als Analoga für Aminosäureketten verwendet werden, nicht untersucht werden. Direkte dispersive Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Gruppen in Lösung hängen allerdings von dem Abstand eben dieser Gruppen und damit von der Form und der Konformationsdynamik des Polymers ab. Unsere Simulationen selektiver fluorinierter Biopolymere werden erforschen, ob dispersive Wechselwirkungen den dominierenden Beitrag zu hydrophober Anziehung liefern und daher für die Änderungen in Proteinstruktur und struktureller Flexibilität verantwortlich sind. Dieses Verständnis kann letztlich dazu verwendet werden, die Balance zwischen den verschiedenen Wechselwirkungen zu modifizieren und somit, durch gezielte Fluorsubstitutionen, Proteineigenschaften zu kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1807: Control of London Dispersion Interactions in Molecular Chemistry
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Markus Gerhards (†); Professorin Dr. Beate Koksch
• Kooperationspartner: Professor Dor Ben-Amotz, Ph.D.
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Petra Imhof, bis 3/2019