Anwendung des Invariomansatzes zur kleinste-Quadrate Verfeinerung von organischen Kristallstrukturen, speziell makromolekularen Protein- und Antibiotikastrukturen; Bestimmung von wichtigen Eigenschaften solcher Systeme; Weiterentwicklung des Invariomansatzes quantenchemischer Näherungsverfahren solcher Moleküle

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Birger Dittrich
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 46547255

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit dem kürzlich in der Zeitschrift Acta Crystallographica Section B erschienenen Übersichtsartikel konnten wir zeigen, dass zwei der vier Ziele des EN-Projekts voll erreicht wurden. Der Invariomansatz ist nun generell auf organische Moleküle anwendbar. Mit den Programmen molecoolQt und invariomtool stellen wir Programme für die Anwendung von Invariomen frei zur Verfügung. Das dritte Ziel, die Anwendung auf Makromoleküle und Antibiotika, wurde eindrucksvoll an Trichotoxin A50E und auch bei Thiostrepton erfüllt. Im Fall von Thiostrepton mussten jedoch enorme Anstrengungen unternommen werden, um das Projekt erfolgreich abzuschließen. Die Untersuchungen am Oligopeptid Gramicidin blieben bislang bis auf einen Posterbeitrag unveröffentlicht. Dies gilt genauso für Arbeiten am Antibiotikum Erythromycin. Hier ergeben sich interessante Fragen für Anschlußprojekte. Grenzen der aktuell verwendeten Verfeinerungssoftware zur Verfeinerung mit asphärischen Streufaktoren sind deutlich geworden. So ist z.B. xd nicht für diese Art von Molekülen konzipiert worden. Auch individuelle Eigenschaften einer makromolekularen Struktur können bei der genauen Auswertung zu unüberwindbaren Schwierigkeiten führen, die aktuell mit existierenden Modellen und ihren Parametern oft nicht aus dem Weg geräumt werden können. Es sind also nicht nur praktische Probleme, sondern fundamentale Fragen offen, die die Anwendung von Invariomen auf Proteinkristalle erschweren. Der Aufwand lohnt sich deshalb aktuell nur für besonders interessante Moleküle wie Thiostrepton, bei denen die Auswertung der apsharischen Elektronendichte den hohen Aufwand rechtfertigt. Gerade bei der Verfeinerung von Makromolekülen und der Berechnung von ADPs bzw. der Hinzunahme von externer Information aus Moleküldynamiksimulationen zur Modellierung von Fehlordnungen ergeben sich auf diesem Hintergrund interessante Perspektiven für zukünftige Arbeiten. Auch das vierte Ziel, der Untersuchung der Interaktionsdichte, konnte erfolgreich bearbeitet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Comparative Experimental Electron Density and ELF Study of Thymidine Based on 20 K X-ray Diffraction Data, Acta Crystallogr. B64 (2008), 363-374
  C. B. Hübschle, B. Dittrich, S. Grabowsky, M. Messerschmidt, P. Luger
  
• Improvement of Anisotropic Displacement Parameters from Invariom-model Refinements for Three L-Hydroxylysine Structures, Acta Crystallogr. B64 (2008), 750-759
  B. Dittrich, J. J. McKinnon, J. E. Warren
  
• X-ray Structure Refinement Using Aspherical Atomic Density Functions Obtained from Quantum Mechanical Calculations, Acta Crystallogr. A64 (2008), 383-393
  D. Jayatilaka, B. Dittrich
  
• Charge Density Study on Cyclosporin A, Acta Crystallogr. D65 (2009), 284-293
  S. K. J. Johnas, B. Dittrich, A. Meents, M. Messerschmidt, E. F. Weckert
  
• Temperature Dependence of Rotational Disorder in a Non-standard Amino Acid from X-ray Crystallography and Molecular Dynamics Simulation, Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 2601-2609
  B. Dittrich, J. E. Warren, F. P. A. Fabbiani, W. Morgenroth, B. Corry
  
• Towards Extracting the Charge Density from Normal-Resolution Data, J. Appl. Cryst. 42 (2009), 1110-1121
  B. Dittrich, C. B. Hübschle, J. J. Holstein, F. P. Fabbiani
  
• Revised Electrostatics from Invariom Refinement of the 18-Residue Peptaibol Antibiotic Tricotoxin A50E, Cryst. Eng. Comm. 12 (2010), 2419-2423; special issue
  . B. Dittrich, C. Bond, R. Kalinowski, M. A. Spackman, D. Jayatilaka
  
• Validation of Experimental Charge Densities: the Refinement of the Macrolide Antibiotic Roxithromycin, Acta Crystallogr. B66 (2010), 568-577
  . J. J. Holstein, P. Luger, R. Kalinowski, S. Mebs, C. Paulmann, B. Dittrich
  
• MoleCoolQt - A Molecule Viewer for Charge-Density Research, J. Appl. Cryst. 44 (2011), 238-240
  . C. B. Hübschle, B. Dittrich
  
• ShelXle: a Qt Graphical User Interface for SHELXL, J. Appl. Cryst. 44 (2011), 1281-1284
  C. B. Hübschle, G. M. Sheldrick, B. Dittrich
  
• Verification of Structural and Electrostatic Properties Obtained by the use of Different Pseudoatom Databases, Acta Crystallogr. A67 (2011), 141-153
  J. M. Bak, S. Domagala, C. B. Hübschle, C. Jelsch, B. Dittrich, P. M. Dominiak
  
• Crystal-field Effects in L-homoserine: Multipoles versus Quantum Chemistry, Acta Crystallogr., A68 (2012), 435-442
  Dittrich, B.; Sze, E.; Holstein, J. J.; Hübschle, C. B. & Jayatilaka, D.
  
• Electrostatic Properties of Nine Fluoroquinolone Antibiotics Derived Directly from their Crystal Structure Refinements, Cryst. Eng. Comm. 14 (2012), 2520-2531
  Holstein, Julian Jacob; Hübschle, Christian Bertram & Dittrich, Birger
  
• On QM/MM and MO/MO Cluster Calculations of All-atom ADPs for Molecules in Crystal Structures, Acta Crystallogr. A68 (2012), 110-116
  B. Dittrich, S. Pfitzenreuter, C. B. Hübschle
  
• A Comparison of Electron Density from Hirshfeld-atom Refinement, X-ray Wavefunction Refinement and Multipole Refinement on Three Urea Derivatives, Cryst. Eng. Comm. 15, (2013) 2084-2090
  Chęcińska, Lilianna; Morgenroth, Wolfgang; Paulmann, Carsten; Jayatilaka, Dylan & Dittrich, Birger
  
• Invariom Refinement of a New Monoclinic Solvate of Thiostrepton at 0.64 Å resolution, Acta Crystallogr. D69 (2013), 1530-1539
  K. Pröpper, J. J. Holstein, C. B. Hübschle, C. S. Bond, B. Dittrich
  
• The Generalized Invariom Database (GID), Acta Crystallogr. B69 (2013) 91-104
  Dittrich, B.; Hübschle, C. B.; Pröpper, K.; Dietrich, F.; Stolper, T. & Holstein, J. J.