Die Entschlüsselung der Dynamik von Biomolekülen auf der Basis von spektroskopischen Daten und Moleküldynamiksimulationen

• Antragsteller: Dr. Albert Smith-Penzel, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450148812

In der ersten Phase dieses Projekts wurde gezeigt, dass zeitskalenspezifische Dynamikanalysen mithilfe von "Detektoren" durch die Kombination von NMR- und MD-Daten verwendet werden können, um vielfältige biologische Systeme zu charakterisieren. Durch Verwendung neuartiger Techniken zur Separation von Einzelbewegungen und zur Identifizierung von Kreuzkorrelationen in Bewegungen war es möglich, eine eingehende Charakterisierung der Dynamik in mehreren biologischen Systemen durchzuführen. Insbesondere wurde eine umfassende Beschreibung der Bewegung in einer biologischen Membran als Funktion von Position und Zeitskala (der Dynamischen Landschaft), eine vergleichende Analyse von zeitskalenspezifischer Amplitude und Kreuzkorrelation für einen gekoppelten G-Protein-Rezeptor (GPCR) in seinen inaktiven (apo) und aktiven (gebundenen) Zuständen sowie eine detaillierte Analyse der Seitenkettenbewegung in einem fibrillären Protein erhalten. In der zweiten Phase wird der Schwerpunkt darauf liegen, die entwickelten Techniken zur Beantwortung weiterer spezifischer biologischer Probleme anzuwenden, die nicht allein auf Basis struktureller Information gelöst werden können, sondern vielmehr von den dynamischen Eigenschaften des Systems abhängen. Es wird die Basalaktivität im GHS- Rezeptor (GHSR) untersucht, bei dem eine Punktmutation in der hochflexiblen extrazellulären Schleife 2 (A204E) zu einer signifikanten Abnahme der Basalaktivität führt. Die Dynamik des GlpG-Proteins und der umgebenden Membran wird untersucht, wobei Protein-Membran-Wechselwirkungen zu einer modifizierten Membran führen, die wiederum die GlpG-Aktivität erhöht. Die in der ersten Phase entwickelten kreuzkorrelierten Analyse- und Dynamischen Landschaft werden angewendet, um zu verstehen, wie das Protein und die Membran interagieren, um ein komplexes dynamisches System zu bilden. Allosterische Effekte werden beim K-Opioid-GPCR (KOR) untersucht, wobei unterschiedliche Liganden zur Aktivierung verschiedener Signalwege führen. Durch die Untersuchung mehrerer unterschiedlicher Liganden, die an den KOR gebunden sind, werden Detektor- und Kreuzkorrelationsanalysen angewendet, um zu verstehen, wie Signale von der extrazellulären Ligandenbindetasche zur intrazellulären G-Protein-Bindetasche propagieren und wie verschiedene Liganden die Signalgebung beeinflussen können (biased signaling). Schließlich wird ein Modellsystem, das WALP-16-Peptid, in Membranen mithilfe von NMR, MD und Einzelmolekül-FRET untersucht, um die Detektoranalyse zur Auswertung von Fluoreszenzdaten anzuwenden. Für dieses Projekt wird die Detektormethodik modifiziert, um auf FRET-basierte Korrelationsfunktionen anwendbar zu sein und somit eine neue, ergänzende Quelle für zeitskalensensitive Dynamikdaten bereitzustellen, die mit MD und NMR für eine umfassende Dynamikcharakterisierung kombiniert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen