Molekulare Modellierung des Ladungstransfers in hämhaltigen Systemen: eine zeitabhängige Betrachtung

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533004272

Hämoproteine stellen eine große Klasse von Metalloproteinen dar, bei denen die Häm-Gruppe Funktionen wie Sauerstofftransport, Sauerstoffreduktion, Elektronentranfer (ET) und andere Prozesse ermöglicht. Gleichzeitig gehören diese Proteine aufgrund ihrer vielfältigen biologischen Funktionen und ihrer weiten Verbreitung zu den am besten untersuchten Biomolekülen. Einige Systeme enthalten nur wenige Häm-Gruppen, möglicherweise zusammen mit anderen Redox-Zentren, während andere Proteine viele Häm-Gruppen enthalten, die den Ladungstransfer über relativ große Entfernungen ermöglichen. Für den ET in hämhaltigen Proteinen wurden verschiedene Mechanismen vorgeschlagen, vom sequentiellen Hüpfen über fluktuierende Resonanzen bis hin zum rein kohärenten Transfer. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine allgemeine Herangehensweise für die Behandlung des ETs in hämhaltigen Proteinen bereitzustellen, ohne vorherige Annahmen über den spezifischen Mechanismus des ETs zu treffen. Um die Allgemeingültigkeit der zu entwickelnden Protokolle zu rechtfertigen, werden wir ET-Prozesse in einem molekularen System mit wenigen Häm-Gruppen und kurzen ET-Prozessen, d.h., dem Cytochrom bc1-Komplex, und einem Proteinkomplex, der potenziell polymerisieren und zu weitreichenden ETs führen kann, d.h., dem OmcS-Protein, untersuchen. Aufgrund der Systemgröße ist eine vollständig quantenmechanische (QM) Beschreibung numerisch nicht möglich. Gleichzeitig sind rein klassische Molekulardynamiksimulationen (MD) und Grundzustandsbeschreibungen der Quantenmechanik/Molekularmechanik (QM/MM) aufgrund der inhärenten Beschränkungen dieser Darstellungen nicht ausreichend. Daher ist ein gemischtes QM/MM-Schema erforderlich, um den ET-Prozess zu beschreiben, den wir für biologische Systeme mit klar definierten Redoxzentren, zwischen denen der Transfer stattfindet, nutzen wollen. Konkret werden wir ein Hybridverfahren anwenden, bei dem ein QM/MM-MD-Ansatz für die Dynamik der ET-Einheiten auf atomarer Ebene mit einer grobkörnigen quantendynamischen Beschreibung des tatsächlichen ETs kombiniert wird, wobei wir ein früheres Schema erweitern, bei dem MD- statt der nun vorgeschlagenen QM/MD-Simulationen für die Beschreibung auf molekularer Ebene verwendet werden. Um ET-Simulationen in vollem Umfang in hämhaltigen Proteinen durchführen zu können, müssen grundlegende Fortschritte bei den Methoden der computergestützten Biophysik erzielt werden. Ein umfassendes Konzept für QM/MM-ET-Simulationen wird das erste Ergebnis dieses Projekts sein. Das zweite Ergebnis wird vollständige Simulationen des bc1-Komplexes und des OmcS-Systems umfassen, die es uns letztendlich ermöglichen werden, grundlegende Fragen der Biophysik zu beantworten, wie zum Beispiel: Wie funktioniert die Funktion von Teilprozessen im bc1-Komplex auf der QM-Ebene, die eine Integration in den Gesamtmechanismus der Energieumwandlung ermöglichen? Welche Auswirkungen haben Fluktuationen und Kohärenzen auf den ET durch einen OmcS-Nanodraht?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen