Die Rolle von Prolinisomeren - Rationalisierung und Modulation der Funktion von Prolinen

• Antragstellerin: Dr. Maria Reif
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401024171

Trotz der wichtigen Rolle in der Proteinfaltung und -funktion sind die mikroskopischen physiko-chemischen Aspekte der cis-trans Isomerisierung von Prolin kaum verstanden. Es gibt zahlreiche experimentelle Studien über das Phänomen, aber im Vergleich dazu sind computer-gestützte Verfahren, welche im Prinzip dazu in der Lage sind, die bislang fehlende detaillierte quantitative Einsicht zu liefern, noch relativ selten. Das vorliegende Projekt will diese Lücke mit klassischen atomistischen Molekulardynamiksimulationen schließen. Wir wollen Fragen bezüglich den Determinanten der Funktion von speziellen Prolin-Residuen (z.B. Rolle in der konformationellen Kopplung) und des Einflusses der Umgebung auf diese Determinanten (z.B. Lösungsmittel, Mutationen oder post-translationelle Modifikationen) adressieren. Dabei werden verschiedene Proteine, für welche die Rolle bestimmter Prolin-Residuen experimentell bekannt ist, untersucht werden. Durchwegs werden Methoden zum verstärkten Sampling verwendet werden, um konvergierte Simulationsergebnisse zu erhalten. Ein besonderer Fokus wird auf ein beta-hairpin Modellsystem gelegt werden, für das umfassende experimentelle Untersuchungen der Wechselwirkung von konformationeller Stabilität und Prolin-Isomerisierung als Funktion von Mutationen in der Nachbarschaft des Prolins durchgeführt worden sind. Wir denken, dass unsere Simulationen die experimentellen Ergebnisse erklären und mit detaillierter mikroskopischer Einsicht ergänzen werden können. Außerdem planen wir auch, zu untersuchen, welche Bedingungen eine spontane cis-trans Isomerisierung in einem biologisch-wichtigen System, für das ebenfalls eine große Menge experimenteller Daten verfügbar ist, fördern. Wir wollen das experimentell-fundierte (strukturelle) Wissen über die verschiedenen Amyloidogenitäten des trans Isomers von beta-2 Mikroglobulin und der konstanten leichten Domäne eines Antikörpers mit thermodynamischen, kinetischen und dynamischen Erkenntnissen ergänzen. Eine der Schlüsselfragen, die hier beantwortet werden soll, ist, ob die strukturelle Stabilisierung, die in letzterer durch kurze helikale Abschnitt gegeben ist, aber in ersterer nicht vorhanden ist, auch in verschiedenen freien Isomerisierungsenergien und Reaktionsbarrieren widergespiegelt wird. Wir denken, dass durch die erworbenen Erkenntnisse unser Verständnis des Einflusses der Umgebung auf und die Auswirkungen von Prolin cis-trans Isomerisierung auf atomistischer Ebene gefördert wird. Letztendlich könnte das Wissen dazu genutzt werden, die Isomerisierung gezielt zu kontrollieren, was viele neue Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin oder im Protein-Engineering eröffnen würde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen