Neue Entwicklung in der NMR-Spektroskopie zur Untersuchung der RNA-Rückfaltung und der Bindung Wirkstoff-artigen Liganden an RNA

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schwalbe
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560722850

Die NMR Spektroskopie spielt eine wesentliche Rolle in der Strukturbiologie von RNAs. Der zugängliche Konformationraum von RNAs kann nur durch Ensembles fluktuierender Strukturen genau beschrieben werden. Dies verhindert häufig Kristallisationsversuche von RNAs und macht die strukturkinetischen Einblicke auf atomarer Ebene, die die Lösungsphasen-NMR bietet, für das Verständnis dieser Systeme unerlässlich. Um das Potenzial der NMR in der RNA-Strukturbiologie voll auszuschöpfen, ist es wichtig, die Signal-Rausch-Einschränkungen der NMR zu überwinden und gleichzeitig die atomare Auflösung zu maximieren. Der vorliegende Antrag befasst sich mit diesen Aspekten durch Verbesserungen der NMR-Methoden, die speziell auf die Untersuchung von RNAs zugeschnitten sind. Mit Hilfe neuer Techniken, von denen wir erwarten, dass sie die Empfindlichkeit der bestehenden Methoden um zwei bis drei Größenordnungen verbessern, planen wir, die sowohl in Rehovot als auch Frankfurt installierte Ultrahochfeld-NMR-Infrastruktur zu nutzen, um (i) Ligandenbindung an Ziel-RNAs sowohl durch Liganden-basierte als auch RNA-Ziel-basierte Screening-Experimente zu detektieren und (ii) die Kinetik der RNA-Rückfaltung, die durch Ligandenbindung induziert wird, mit einer Auflösung auf Nukleotidebene verfolgen zu können. Den hier vorgeschlagenen Methoden ist gemeinsam, dass sie auf dem schnellen Austausch von Wasserstoffatomen in RNAs – insbesondere 2’-OH im Ribosering und NH, NH2 in den Nukleobasen – mit dem Lösungsmittel (Wasser) beruhen. Diese chemischen Charakteristka ausnutzend werden (i) neue frequenzselektive Experimente, die den Transfer von Wasser in ein großes Magnetisierungsreservoir nutzen, wie kürzlich in der Frydman/Schwalbe-Kollaboration demonstriert wurde, für solche Experimente optimiert, die strukturelle und dynamische Veränderungen sowie Ligandenbindung durch Veränderungen der Wasserzugänglichkeit zu RNAs erfassen. Weiterhin für (ii) Experimente zur Anwendung dynamischer Kernpolarisation (DNP), die auf der Injektion von hyperpolarisiertem Wasser und Liganden basieren und am Weizmann-Institut zugänglich sind, um ligandeninduzierte RNA-Umfaltungsvorgänge zu charakterisieren. Beide Methoden werden an einer Aptamerdomäne eines Guanin-bindenden Tandem-Riboschalters und am Frameshifting-Element von SARS-CoV-2, das hochrelevante RNA-Neufaltungsereignisse auf ihre Tauglichkeit optimiert. Das Frameshift-Element ist ein pharmakologisches Target, so dass die hier entwickelten Methoden auch der Translation bei der Entwicklung neuer antiviraler Inhibitoren dienen. Das vorgeschlagene Projekt vereint die einzigartige Expertise der beiden Gruppen in der NMR von RNA (Schwalbe) und neuen Formen mehrdimensionaler und auf DNP-Auflösung basierender Methoden (Frydman) – mit einzigartigem Zugang zu NMR- und DNP-Einrichtungen und mit einer nachgewiesenen Erfolgsbilanz der Zusammenarbeit im Feld.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Lucio Frydman