Optische Kontrolle des Aktin-Cytoskeletts

• Antragsteller: Dr. Christoph Etling
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545910666

Das Aktin-Cytoskelett besteht aus Aktinpolymeren (aufgebaut aus monomerem G-Aktin) und zugehörigen Aktin-bindenden Proteinen wie dem Arp2/3-Komplex, der für die Bildung verzweigter Aktinnetzwerke verantwortlich ist, und Myosin II, einem Motorprotein, das sich entlang der Aktinpolymere bewegt. Diese spielen entscheidende Rollen in wichtigen Zellprozessen wie zellulärer Fortbewegung, Zellteilung und Organellendynamik. Diese Prozesse auf molekularer Ebene zu verstehen ist entscheidend für den Fortschritt in der Zellbiologie und für die Entwicklung von Diagnose- und Behandlungsstrategien für Krankheiten, die mit ihrer Dysfunktion zusammenhängen. Untersuchungen des Aktin-Cytoskeletts sind auf Werkzeuge angewiesen, die die Kontrolle über die Aktinnetzwerkbildung und aktinabhängige Prozesse ermöglichen. Aufgrund der Dynamik und Allgegenwärtigkeit dieser Prozesse in allen Zellen wären dynamische molekulare Werkzeuge, die ihre zeitlich und räumlich präzise Kontrolle erlauben, von unschätzbarem Wert. Inhibitoren, deren Aktivität durch einen definierten externen Stimulus gesteuert werden kann, könnten vielversprechende Werkzeuge sein, um eine solche dynamische und präzise Kontrolle des Aktin-Cytoskeletts zu erreichen. Licht ist, aufgrund seiner nicht-invasiven Natur, hohen Präzision und einfachen Anwendbarkeit, ein idealer Stimulus für diesen Zweck. Das Ziel dieses Projekts ist es, Aktin-Cytoskelett-Inhibitoren zu entwickeln, deren Bioaktivität präzise und reversibel durch Licht gesteuert werden kann. Um dies zu erreichen, werde ich Varianten der G-Aktin-bindenden Latrunculine, des Arp2/3-Inhibitors CK-666 und des Myosin-II-Inhibitors Blebbistatin synthetisieren, die Azobenzol-Photoschalter enthalten. Die Photoschalter besitzen zwei Fotoisomere, die durch Anregung mit Licht ineinander umgewandelt werden können. Diese werden so in die chemischen Strukturen der Inhibitoren eingebaut, dass ein Isomer biologisch aktiv ist, während das andere inaktiv ist. Dies wird es anwendenden Wissenschaftlern ermöglichen die Bioaktivität der Inhibitoren durch Licht räumlich und zeitlich definiert zu steuern (optische Kontrolle). Zur gezielten Entwicklung wirksamer und selektiver photo-schaltbarer Aktin-Cytoskelett-Inhibitoren setzt dieses Projekt auf die Kombination von chemischer Synthese und Methoden der Strukturbiologie. Der Forschungsansatz ist es, Bibliotheken photo-schaltbarer Aktin-Cytoskelett-Inhibitoren zu synthetisieren, ihre lichtabhängige Bioaktivität zu evaluieren, und die Bindung erfolgreicher Kandidaten an ihre Zielproteine mittels Kryoelektronenmikroskopie und Proteinkristallographie zu untersuchen. Die so gewonnenen Strukturinformationen werden im Laufe des Projektes das rationale Design von neuen und verbesserten photo-schaltbaren Inhibitoren ermöglichen. Dieses Projekt wird so dazu beitragen, ein umfassendes Repertoire von photo-schaltbaren Inhibitoren zu etablieren, die Untersuchungen des Aktin-Cytoskeletts mit hoher Präzision ermöglichen werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Dirk Trauner