Beiträge zur Verbesserung makromolekularer Kristallstrukturen

• Antragstellerin: Dr. Andrea Thorn
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420163647

Seit über fünfzig Jahren ist Röntgenkristallographie die Methode der Wahl zur Bestimmung von makromolekularen Strukturen. Allerdings ist eine solche Struktur kein direktes Ergebnis der Messung: Um ein Strukturmodell zu erhalten, muss Vorwissen verwendet werden. Dementsprechend sind unsere Strukturen nur so gut wie unser fundamentales Verständnis ihrer Natur - und wie unsere Fähigkeit, dieses in Methoden und Modellen umzusetzen.Die Diskrepanz zwischen dem Modell und den Messdaten wird als R-Wert in % angegeben. Während Kleinmoleküle typischerweise Werte von 5% erreichen, sind es bei Makromolekülen 20%-25%. Wegen dieser verhältnismäßig geringen Übereinstimmung zwischen Meßdaten und Modellen ist es oft nicht möglich, strukturbiologische Fragen zu beantworten - zum Beispiel ob ein Ligand bindet - oder sogar ganz unmöglich, eine Struktur zu lösen, zum Beispiel bei Membranproteinen.Der Hauptunterschied zwischen makromolekularen Kristallen und Kleinmolekülkristallen ist das ungeordnete Lösungsmittel, welches fast nur bei ersterem vorkommt und im Schnitt 45% des Volumens ausmacht. Es wird in modernen Modellen als gleichförmig beschrieben, beeinflusst aber die geordneten Makromoleküle unterschiedlich, so dass diese je nach Umgebung leicht unterschiedliche Konformationen einnehmen. Um mehr über diese Un- und Fehlordnung herauszufinden, können wir normale Elektronendichtekarten nicht heranziehen, da diese ja mit Modellphasen errechnet wurden. In dem hier vorgestellen Projekt werden wir experimentelle Phasen zur Berechnung von Elektronendichte verwenden und mit diesen unverfälschten Elektronendichtekarten die Modelle makromolekularer Strukturen verbessern.Parallel hierzu planen wir auch die Qualität der Röntgendaten zu verbessern. Hierzu habe ich ein Programm entwickelt, welches Fehler in kristallographischen Daten aufzeigt. Dieses Programm, AUSPEX, wird zur Zeit vorrangig zum Erkennen von Eisringen eingesetzt. Im Rahmen dieses Projektes soll es erweitert werden, um weitere Probleme bei der Datensammlung und Prozessierung der Röntgendaten zu erkennen und unser Verständnis der Vorgänge während des Experimentes zu verbessern. Außerdem haben wir einen Webserver initiiert, der anderen Kristallographen erlaubt, AUSPEX schnell und unkompliziert online zu nutzen.Mit diesen beiden Maßnahmen - verbesserten makromolekulare Strukturmodellen und besseren Röntgendaten - werden wir in der Lage sein, den R-Wert zu senken, und dementsprechend wesentlich mehr in Elektronendichtekarten von neuen und existierenden Strukturen zu sehen, was Strukturbiologen auf der ganzen Welt ermöglichen wird, noch anspruchsvollere biologische Probleme zu lösen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen