Dekonstruktion Biologischer Funktion an der Kontaktfläche zwischen Wirt und Krankheitserreger durch konstruktives de novo Proteindesign

• Antragsteller: Dr. Lukas Milles
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529882161

De novo Proteindesign mithilfe von hochpräzisen neuronalen Netzen zur Strukturvorhersage von Proteinen stellt einen grundlegend neuen Ansatz dar, um vielfältige, komplexe und nuancierte Proteinstrukturen zu erstellen, die weit über die Möglichkeiten bisheriger Methoden hinausgehen. Hier schlage ich vor, diesen Ansatz auf das Design mehrerer Zustände zu erweitern, um komplexe biologische Funktionen an der Kontaktfläche zwischen Wirt und Pathogen zu rekonstruieren und ihre zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu dekonstruieren. Wir werden uns auf zwei spezifische Systeme konzentrieren: Thioester-Domänen (TEDs) und Catch-Bond-Interaktionen. Thioester-Domänen sind autokatalytische chemische "Harpunen", die kovalent an Wirtsziele binden. Wir werden synthetische, de novo designte TEDs erstellen, indem wir die im Kern des Proteins geschützte Thioester-Chemie rekonstituieren und entscheidende Variablen untersuchen, die das autokatalytische intermolekulare kovalente Targeting von sowohl nativen als auch designten Proteinen steuern. Letztendlich wird dies ermöglichen, die Thioester-Reaktivität auf beliebige Ziele zu lenken. Catch-Bond-Interaktionen sind ungewöhnliche Rezeptor-Ligand-Interaktionen, die ihre Bindungslebensdauer unter mechanischer Kraft erhöhen und so Pathogenen ermöglichen, sich auch unter hohem mechanischem Stress hartnäckig an ihren Wirten zu verankern. Die Rekonstitution dieser Bindungen durch de novo Design wird die minimal erforderlichen Komponenten für ihre Funktion offenlegen. Dies ermöglicht es uns, den Zusammenhang zwischen Thermodynamik, Kinetik und vor allem Mechanik, die wir mit Einzelmolekül-Kraftspektroskopie untersuchen werden, der der Energielandschaften von Catch-Bonds zugrunde liegt, zu entschlüsseln. Durch Zusammenführung der im Rahmen dieses Vorhabens generierten Daten werden wir die biophysikalischen Eigenschaften von de novo designten Proteinen und ihren natürlichen Vorlagen vergleichen, um das Spannungsfeld zwischen de novo Design und dessen Einfluss auf Proteinbiophysik durch Designmethoden zu verstehen.Die rekonstituierten Mechanismen könnten als vielseitige Werkzeuge für Anwendungen finden, so wie de novo Catch-Bond basierte neuartige Biomaterialien mit anspannungsversteifenden Eigenschaften oder de novo Thioester-Domänen für kovalente Opsonisierung. Ein tieferes Verständnis der Mechanismen dieser Krankheitserreger wird auch neue Wege zu potenziellen therapeutischen Ansätzen eröffnen, die diese Systeme hemmen.Zusammenfassend schlage ich vor, biologische Funktionen durch konstruktives de novo Design zu dekonstruieren, um die präzise Isolierung, Rekonstitution und somit Analyse komplexer Protein-Funktionen jenseits der von der Evolution beschrittenen Gebiete, zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: HPLC Agilent 1260 Infinity II bioinert