Langzeitbeobachtung von Proteindynamik durch Momentaufnahmen-Einzelmolekülspektroskopie

• Antragsteller: Dr. Christopher Engelhard
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399893536

Röntgen-Kristallographie liefert detaillerte Proteinstrukturen, die aber keine Informationen darüber enthalten, wie Proteine in vivo fluktuieren, sich anpassen, an andere Biomoleküle binden, sowie welche Strukturänderungen zur Ausführung dieser Funktionen nötig sind. Normale Einzelmolekülspektroskopie ist gut geeignet um das Verhalten einzelner Proteine bei Raumtemperatur zu beobachten, ist aber ebenfalls beschränkt auf die Verfolgung von Zustandsänderungen mit geringer Zeitauflösung über kurze Zeiträume. Dieser Antrag schlägt eine neue Methode vor, die zur Beobachtung von Proteindynamik über lange Zeiträume mit guter Zeitauflösung geeignet ist. Das zentrale Konzept der Methode ist es, einzelne Biomoleküle zu verschiedenen Zeitpunkten ihrer natürlichen Bewegung einzufrieren und so einen aus Momentaufnahmen zusammengesetzten Film der Bewegung zu erhalten. Dies wird mit Hilfe von schnellen (~ Mikrosekunden) Gefrier- und Tauzyklen erreicht, wobei das Protein zwischen einer tiefen Messtemperatur, bei der Bewegungen eingefroren sind, und einer hohen Temperatur, bei der das Molekül sich ungestört bewegen kann, wechselt. Die Methode benutzt den zentralen Vorteil der Einzelmolekülspektroskopie: Da jedes Molekül sich zu jeder gegebenen Zeit in genau einem Zustand befindet, elimiert sie Ensemblemittelung und Probleme mit der Synchronisierung eines Ensembles. Wo andere Methoden, z.B. Kryo-Elektronenmikroskopie die Streuung der Konformationen eines Ensembles aufzeigen können, nimmt diese Methode die Sequenz der Konformationen eines einzelnen Proteins auf. Dies ermöglicht neue Erkenntnisse über die Trajektorien von Proteinen in der Potentiallandschaft.Erste Experimente in M. Orrit's Arbeitsgruppe haben bereits demonstriert, dass hinreichend schnelle Temperaturzyklen durch Heizen mittels optischer Laser in einer ansonsten kalten Umgebung möglich sind. Dieser Antrag verfolgt zwei Ziele um diese ersten Experimente zu einer verlässliche experimentelle Methode weiterzuentwickeln:a) Die Methode der schnellen Temperaturzyklen auf Biomoleküle mit bekannter Dynamik anzuwenden, um zu demonstrieren, dass die Methode an sich verlässliche Ergebnisse liefern kann, undb) die Methode zur Klärung offener Fragen in der Proteindynamik von Metalloproteinen und Adenylat-Kinasen zu verwenden, zusammen mit anderen Forschungsgruppen mit großer Erfahrung auf dem Gebiet der Proteindynamik.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeber: Professor Dr. Michel Orrit