Verständnis der Substrattranslokation in Polyketidsynthase (PKS) Fertigungslinien

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Grininger
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428858291

Der Begriff „Fertigungsstraße“ weckt in der Regel Assoziationen mit Auto-Produktionsstätten. Darin durchläuft das Fahrzeug mehrere Stationen, an denen jeweils Arbeitsschritte ausgeführt werden. Die Natur bedient sich in der Herstellung der Polyketid-Naturstoffe eines ähnliches Syntheseprinzips. Modulare Polyketidsynthasen (PKSs) bestehen so wie Auto-Fertigungsstraßen aus Stationen, Module genannt, an denen ein Vorläufermolekül, oftmals aktivierte Carbonsäure, bearbeitet wird. Aus einfachen Vorläufermolekülen entstehen so komplexe bioaktive Verbindungen mit oftmals breiter Anwendung in der medizinischen Therapie. So gut ersichtlich der Mechanismus von Auto-Fertigungsstraßen ist - Rohlinge werden auf Bändern oder Bahnen transportiert und Roboter bzw. Personen führen z.B. Schraub-, Schweiß- oder Klebearbeiten durch - so unklar sind die molekularen Grundlagen in modularen PKSs. Wie wird das wachsende Polyketid durch die Fertigungsstraße geschleust? Wie erkennt ein Modul, dass das Polyketid fertig bearbeitet ist und nun zum nächsten Modul weitergegeben werden soll? Und damit verknüpft, wie verhindert ein Modul wiederholendes Bearbeiten eines Polyketids? Zu all diesen Fragen gibt es nur vage Erklärungsversuche. Das hier vorgestellte Projekt soll Antworten zu den molekularen Grundlagen der vektoriellen Synthese von PKS-Fertigungsstraßen liefern. Es bearbeitet das Thema in zwei Achsen: (i) Der biochemische Teil zielt auf das funktionelle Verständnis der vektoriellen Synthese ab, wobei hier der Ansatz „Verständnis durch Umbau“ verfolgt wird. Um zu verstehen, welche Einheiten für die vektorielle Synthese verantwortlich sind, sollen PKS-Fertigungsstraßen durch explizit nicht-vektorielle Einheiten umgebaut werden. Konkret transplantieren wir Einheiten nicht-vektorieller homologer Proteine in die PKS-Fertigungsstraße und beobachten, ob die Fähigkeit zur vektoriellen Synthese bestehen bleibt. Wir nutzen dafür die nicht-vektorielle (sondern prototypisch iterative) Fettsäuresynthase (FAS) und zwei gut charakterisierte iterative PKSs als Spender-Proteine. (ii) Im strukturbiologischen Teil des Projekts streben wir die strukturelle Charakterisierung vektorieller Synthese an. Anhand sorgfältig gewählter Bereiche von PKS-Fertigungsstraßen und mithilfe von cryogener Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) soll vor allem die Weitergabe des Polyketids, der sogenannte Translokationsschritt, strukturell erfasst werden. Intelligentes Proteindesign kann Schlüsselkonformationen von PKS-Modulen einfrieren, die während der vektoriellen Synthese durchlaufen werden. Moderne Einzelpartikel-Cryo-EM kann zudem mit der Heterogenität komplexer Proteinproben umgehen und aus Gemischen von Konformationen strukturelle Information bei nahezu atomarer Auflösung extrahieren. Der strukturbiologische Teil ist als Kollaboration mit Prof. Timm Maier (Biozentrum Basel) geplant. Sein Labor hat herausragende Expertise in der strukturellen Analyse von PKSs und verwandten Multidomänen-Proteinen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen