Zeitaufgelöste Strukturbiologe biologisch relevanter Prozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schwalbe
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451906961

Das Projekt zielt auf die atomare 4D Strukturbiologie zweier biomolekularer Prozesse ab – der kotranskriptionellen Faltung von Riboswitch-RNA und der Assemblierung von Apoferritin-Nanokäfigen. Die Riboswitch-Faltung ist ein wichtiger Bestandteil des genetischen Regulationsnetzwerks. Transkription, mRNA-Selbstspaltung, Spleißen und Translation können moduliert werden, was eine langfristige und/oder engmaschige Kontrolle der Genexpression ermöglicht. Die Riboswitch-basierte genetische Regulation ist für alle ein- und einfachen mehrzelligen Organismen essenziell und ermöglicht eine effiziente Anpassung an komplexe und/oder dynamische Umgebungen, einschließlich spezifischer Entwicklungsphasen. Ein detailliertes Verständnis der Riboswitch-basierten genetischen Regulation kann unmittelbar in einem breiten Spektrum anthropogener Anwendungen umgesetzt werden, beispielsweise in der Landwirtschaft, Umwelt, Stadtentwicklung, Medizin, Industrie, Forensik usw., darunter beispielsweise die Entwicklung neuer Antibiotika, die Detektion kleiner Moleküle und den biologischen Abbau organischer Abfälle. Apoferritin ist das primäre Protein, das für die intrazelluläre Aufnahme und Speicherung von Eisen verantwortlich ist und in allen Lebensbereichen allgegenwärtig ist. Es ist das zentrale regulatorische Element des Eisenstoffwechsels und sorgt dafür, dass Eisen in löslicher, ungiftiger Form erhalten bleibt. Aufgrund seiner (i) hohen strukturellen Stabilität, (ii) physiologischen Relevanz und Ungiftigkeit, (iii) Fähigkeit, Körperbarrieren zu überwinden, (iv) Fähigkeit, verkapselte Wirkstoffmoleküle zu transportieren, (v) Fähigkeit, durch Oberflächenfunktionalisierung neue Eigenschaften zu erlangen, und (vi) einfachen Expression und Reinigung ist Apoferritin ein attraktives, intelligentes Werkzeug für biomedizinische Anwendungen. Das detaillierte Verständnis der Apoferritin-Nanokäfig-Struktur kann Behandlungsstrategien revolutionieren, die Liste der anwendbaren Therapeutika erweitern, deren Effizienz steigern und die Nanopartikelentwicklung deutlich vereinfachen. Zeitrafferbilder im atomaren Maßstab werden mittels NMR, cryo-EM und der neuartigen Methode des zeitaufgelösten Nanosekunden-Hyperquenching (NHQ)-Methode realisiert. Unsere neue Methode ist derzeit führend in diesem Bereich und übertrifft alle zeitaufgelösten Methoden für die 3D-Bildgebung. Sie ist auf jede biologische Funktion anwendbar und ermöglicht den Zugriff auf den gesamten Mikromillisekunden-Zeitbereich – die natürliche Zeitskala in der Strukturbiologie. NHQ bietet eine um drei Größenordnungen höhere Zeitauflösung als herkömmliche Methoden. Mit NHQ kann die biologische Funktion durch Nanosekunden-Mischen und einen großen Temperatursprung ausgelöst werden. Zeitaufgelöste strukturelle Zwischenprodukte können durch NHQ bei 77 K erfasst werden. Die 3D-Strukturen dieser Zwischenprodukte können mithilfe von MAS-NMR, cryoEM sowie EPR erfasst werden.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung