Entschlüsselung der strukturellen Heterogenität in Proteinen mittels ultraschneller konformationsspezifischer VIPER-Spektroskopie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Luuk van Wilderen
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466145756

Proteine sind kleine molekulare Maschinen in lebenden Systemen. Abhängig von Veränderungen in ihrer Umgebung können sie unterschiedliche Aufgaben erfüllen, wie z. B. die Übertragung eines biochemischen Signals. Oft existieren in Zellen oder Organismen mehrere nahezu identische Protein-Substrukturen oder Konformere. Solche Proteine werden als strukturell heterogen bezeichnet. Selbst wenn die Proteinstrukturen denselben Reiz wie eine pH-Änderung oder einen Lichtblitz wahrnehmen und ähnlich aussehen, können diese Substrukturen dennoch ein unterschiedliches oder sogar gar kein Signal erzeugen. Die Untersuchung dieser Substrukturen mit konventionellen biochemischen Trennmethoden scheitert in der Regel daran, dass die strukturellen Unterschiede oft klein sind, zum Beispiel das Vorhandensein oder Fehlen einer einzigen Wasserstoffbrückenbindung in einem Protein mit Tausenden von Bindungen, und/oder einer zu schnellen Umwandlung solcher Substrukturen ineinander. Bei Vorhandensein geeigneter vibronischer Kopplungen ist es möglich, mit der VIPER-Spektroskopie-Methode nur eine der Substrukturen durch Infrarotlicht zu aktivieren, auch wenn sie in Anwesenheit der anderen Strukturen koexistieren. Alle weiteren Substrukturen bleiben inaktiv. VIPER besteht aus einer Sequenz von drei ultraschnellen Laserpulsen, die alle in Farbe und relativem zeitlichen Abstand einstellbar sind. Die strukturelle Sensitivität dieser Methode ist durch die Verwendung von infrarotem Laserlicht gegeben und erlaubt es, zum Beispiel, einzelne Konformationen mit unterschiedlichen Wasserstoffbrückenbindungseigenschaften zu erkennen. Da spektroskopische Standardmethoden mehrere Strukturen gleichzeitig aktivieren, enthalten die resultierenden Spektren eine komplexe Überlagerung von spektralen Signalen und Zeitskalen jeder Struktur. Mit VIPER sind die resultierenden Spektren weniger komplex und einfacher zu interpretieren, da eine einzelne Population ausgewählt wird, die weniger oder möglicherweise sogar nur einem einzigen biochemischen Pfad innerhalb eines Netzwerks von Pfaden folgt. Die Untersuchung der Konformationsheterogenität in Proteinen und die Beantwortung der Frage, auf welche Weise die Struktur bestimmt, welcher Weg eingeschlagen wird, kann möglicherweise zur Entwicklung selektiverer (molekularer und zellulärer) Bildgebungsmarker, neuartiger biophotonischer Geräte und einer verbesserten Kontrolle zellulärer Prozesse durch Licht führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen