Protein-Selbstorganisation durch das Design autokatalytischer Isopeptidbindungen

• Antragsteller: Dr. Ulrich Markel
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Biomaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502051463

Aufgrund ihrer strukturellen Vielfalt erfüllen Proteine eine Vielzahl von Funktionen in lebenden Systemen - von Katalyse bis hin zur Funktion als Baustein für den Aufbau dynamischer Materialien und molekularer Maschinen. Inspiriert von diesen natürlichen Beispielen, haben Forscher Protein-Assemblies von diskreten Oligomeren bis hin zu übergeordneten Strukturen (z.B. 1D-Fasern, 2D-Arrays und 3D-Gitter) entworfen, die auf kovalenten und nicht-kovalenten Bindeprinzipien beruhen. Isopeptidbindungen (IPB) sind ein besonders faszinierendes Beispiel dafür, wie die Natur kovalente Bindungen nutzt, um Proteinstrukturen höherer Ordnung aufzubauen, und sie mit außergewöhnlicher Stabilität ausstattet. Allerdings sind diese natürlichen IPB-bildenden Systeme auf wenige Proteinklassen beschränkt. Bisher wurden Varianten dieser natürlichen IPB-bildenden Systeme als genetische Fusions-Tags verwendet, um den autokatalytischen Zusammenbau von Proteinen zu steuern. Diese Systeme stammen jedoch von pathogenen Bakterien und hinterlassen eine molekulare Narbe, die bei potenziellen therapeutischen Anwendungen unerwünschte Immunreaktionen auslösen kann. Es wäre daher höchst wünschenswert, autokatalytische IPB rational in eine beliebige Protein-Protein-Grenzfläche einbauen zu können. Ziel dieses Projekts ist es, i) das de-novo-Design von IPB in Proteinen zu etablieren, welche strukturell nicht mit natürlichen IPB-bildenden Systemen verwandt sind, und ii) dies für den Aufbau von diskreten und übergeordneten Proteinstrukturen zu nutzen. Zu diesem Zweck wird das homodimere Vier-Helix-Bündelprotein Rop als Proof-of-Principle verwendet. Die Vier-Helix-Architektur stellt ein allgemeines Motiv dar, das häufig unabhängig und als Untereinheit größerer Proteine beobachtet wird und strukturell nicht mit natürlichen IPB-bildenden System verwandt ist. Mit einem kombinierten Ansatz aus computergestütztem Design und gerichteter Evolution werden homo- und heterodimere Protein-Assemblies mit einer unterschiedlichen Anzahl an IPB hergestellt, um so einen einstellbaren Grad an Stabilisierung der Struktur zu erreichen. Diese diskreten Assemblies werden anschließend als Bausteine für die Konstruktion von Strukturen höherer Ordnung genutzt (z.B. hochvernetzte Strukturen und lineare Protein-Polymere), die eine hohe strukturelle Stabilität erwarten lassen. Abschließend werden die aufgestellten IPB-Designprinzipien auf andere Proteine übertragen, um die Allgemeingültigkeit des Ansatzes zu testen und neue Anwendungsmöglichkeiten zu erforschen. Durch die Kombination von IPB mit orthogonalen und schaltbaren Strategien zur Bildung von Protein-Assemblies sind zum Beispiel stabile, auf Stimuli ansprechende Nanostrukturen mit potenzieller therapeutischer Bedeutung denkbar. Insgesamt wird das vorliegende Projekt das de-novo-Design von IPB etablieren und damit eine neue Generation von kovalenten Protein-Assemblies erschließen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor F. Akif Tezcan, Ph.D.