Ein mechano-geometrischer Ansatz zu Charakterisierung makromolekularer Ensembles

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Sigrid Leyendecker
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401512690

Proteine, RNS und DNS erfüllen ihre zellulären Funktionen durch ein dynamisches Wechselspiel zwischen verschiedenen räumlichen Anordnungen. Es ist dabei von zentraler Bedeutung, das Ensemble dieser Strukturen genau zu verstehen, um die zentralen Aufgaben des Moleküls zu entschlüsseln, und im Krankheitsfall korrigierend eingreifen zu können. Während molekulardynamische Simulationen atomistisch aufgeschlüsselte Trajektorien liefern können, begrenzt der hohe Rechenaufwand häufig die zeitliche oder räumliche Dimension ihrer Anwendung. Daher können gröber aufgelöste und damit schnellere Methoden wertvolle erste Erkenntnisse liefern, an die sich zielgerichtete, detailliert aufgelöste Untersuchungen anschließen. Kinematische Methoden aus der Robotik haben sich hier bewährt: ihre Effizienz erlaubt spannende Einblicke in molekulare Bewegungen und erlaubt hilfreiche Interpretation und Integration von experimentellen Daten.Dieses Projekt zielt auf die Entwicklung und Erweiterung eines vereinheitlichen, mechano-geometrischen Ansatzes zur kinematischen Modellierung konformativer Ensembles von komplexen Makromolekülen. Basierend auf unserem existierenden Software-Tool werden wir geometrische Zwangsbedingungen für verschiedene atomare Interaktionen formulieren, um erste Einblicke in die Beweglichkeit des Moleküls mittels Steifigkeitstheorie zu erhalten. Diesem Ansatz wohnt eine Hierarchie von Bewegungen inne, die es erlaubt, die Energielandschaft und den hochdimensionalen Bewegungsraum effizient, weitreichend und gleichmäßig zu untersuchen. Große Bewegungen einzelner Freiheitsgrade, die Verletzung von Zwangsbedingungen und neu formierte sterische oder hydrophobe Kontakte liefern Hinweise auf allosterische Hotspots, mit großem Potential für die Arzneimittelentwicklung.Erste Untersuchungen konformativer Übergänge zwischen zwei Konfigurationen verschiedener Proteine zeigen, dass der kinematische Ansatz Netzwerke von Aminosäuren aufdecken kann, deren Interaktion überzeugend mit experimentellen Daten übereinstimmt. Die direkte Integration experimenteller Daten erlaubt es, die Methode weiter zu verbessern und in Richtung datengestützter Untersuchung zu erweitern. Ungenauigkeiten oder vollständig fehlende Daten können so durch unseren mechano-geometrischen Ansatz vorhergesagt und weiterführende, zielgerichtete Experimente entwickelt werden.Der Fokus innerhalb dieses Antrags liegt auf experimentellen Daten von Multi-Temperatur Kristallographie, Freie-Elektronen-Lasern und Doppel-Elektron-Elektron-Resonanz (DEER), da diese Methoden direkt am SLAC zugänglich sind. Mittels vorhandener Daten zu Isocyanid Hydratase (ICH), den beiden G-Proteinen Gi und Gs und weiteren Beispielsystemen kann die Entwicklung und Optimierung der Algorithmen bereits vorangetrieben werden. Mit Hilfe der Erfahrung in der Optimalsteuerung am LTD planen wir die Untersuchung der wichtigsten Einflussfaktoren für Antrieb und Stabilisierung konformativer Übergänge gegen Ende des Projekts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen