Computergestützte Umgestaltung von Nanoporen für die Erkennung chiraler Peptidisomere

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539124018

Die Identifizierung chiraler Peptid-Isoformen ist eine wichtige Anwendung von Nanopore-Sensoren, beispielsweise für die Krankheitsdiagnostik und die Aufklärung der Enantiomer-Reinheit von Peptid-Therapeutika. Die Differenzierung von Peptid-Enantiomeren mithilfe bioanalytischer und chromatographischer Standardtechniken ist kompliziert, teuer und zeitaufwändig. Die Nanopore-Sensorik bietet die Möglichkeit eines kostengünstigen und schnellen Nachweises chiraler Peptide. Frühere Studien zur Detektion chiraler Moleküle mittels Nanoporen beruhten auf der Einführung chiraler Einheiten, um die Erkennung der Chiralität zu gewährleisten. Neuere Arbeiten zu Peptiden haben gezeigt, dass Unterschiede in den Peptid-Nanopore-Wechselwirkungen und folglich in den Affinitäten und Kinetiken von Peptid-Isoformen zu charakteristischen Stromsignalen führen können. Basierend auf diesen Erkenntnissen ist die Idee, bestimmte Mutaten von Nanoporen zu entwerfen, die die D- und L-Isoformen eines Peptids mit unterschiedlichen Konformationen und Affinitäten binden können. Eine solche Nanopore sollte im Prinzip unterschiedliche Stromprofile für die beiden Isoformen erzeugen. Um zu einem solchen Nanoporendesign zu gelangen, schlagen wir die Entwicklung einer Nanopore-Redesign-Pipeline vor, die die Rosetta-Protein-Redesign-Algorithmen mit einer schnellen Analysemethode zur Abschätzung der Ionenströme kombiniert. Damit sollen Nanoporen generiert werden, die stabil sind und ein deutliches Signal für die jeweilige Peptid-Isoform liefern. Innerhalb dieses Protokolls würde der rechnerische Design-Algorithmus dazu dienen, gleichzeitig die Nanoporen-Peptid-Wechselwirkungen beider Peptid-Isoformen zu optimieren, um die Bindung der Peptide mit unterschiedlichen Affinitäten und Konformationen zu ermöglichen. Zur Abschätzung der offenen Poren- und Blockierungsströme planen wir, das kürzlich entwickelte “Steric Exclusion Model” einzusetzen, das das Screening vielversprechenden Nanoporen ermöglicht. In unserer Vorarbeit haben wir die Nanopore OmpF für den Nachweis der enantiomeren Formen eines Penta-Peptids untersucht und dabei das Potenzial der Pore für die Chiralitätserkennung demonstriert. Im vorgeschlagenen Projekt planen wir, dieselbe Pore (und ihre Homologen) zusammen mit ähnlichen Peptiden mit dem Ziel zu untersuchen, die Unterschiede in den Ionenströmen durch die Anwendung der vorgeschlagenen Design-Pipeline zu verbessern und einen direkten Vergleich mit den verfügbaren Daten zu ermöglichen. Ein Großteil der vorgeschlagenen Arbeit würde sich auf die Entwicklung und Erprobung der Design-Pipeline und auf die Abschätzung des Ionenstromes konzentrieren, gegebenenfalls im Vergleich mit Molekulardynamik-Rechnungen. Zusammenfassend erwarten wir, zu einer Reihe potenzieller Nanopore-Mutanten zu gelangen, die eine klare Unterscheidung verschiedener Isoformen ermöglichen und als Grundlage für die experimentelle Überprüfung dienen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen