Ionisch/nicht-ionische Detergenzien für kryogene Elektronmikroskopie von Membranproteinen

• Antragsteller: Dr. Tobias Raisch; Dr. Leonhard Hagen Urner
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562810180

Membranproteine sind Ansatzpunkt für 60 % aller Arzneimittel. Neue Technologien für deren Strukturaufklärung werden dringend benötigt. Arbeitsabläufe für eine hochauflösende Untersuchung von Proteinstrukturen beinhalten Proteinreinigung mit Detergenzien und anschließende Visualisierung der 3D Struktur mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Detergenzien, die Membranproteine in Lösung stabilisieren, liefern in vitrifiziertem Eis oft keine ausreichenden Partikeldichten für eine 3D-Rekonstruktion aufgrund von Proteinaggregation und Entfaltung an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Um diese Herausforderung zu überwinden, nutzen wir die neuartige Chemie von ionische/nichtionischen Hybrid-Detergenzien in Kombination mit moderner Kryo-EM-Ausrüstung und anspruchsvollen Membranproteinen. Detergenzien mit Kopfgruppen, die ausschließlich ionische funktionelle Gruppen enthalten, können biomolekulare Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft modulieren, aber denaturieren Membranproteine bereits während der Reinigung. Um erwünschte Grenzflächeneigenschaften von Detergenzien von Protein Denaturierung zu entkoppeln, schlagen wir vor, ionische und nichtionische funktionelle Gruppen zu kombinieren, um Hybrid-Detergenzien zu erhalten, welche sowohl Membranproteine in Lösung stabilisieren als auch ihre Wechselwirkungen mit der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft reduzieren. Im Ergebnis sollen verbesserte Partikeldichten in vitrifiziertem Eis für 3D-Rekonstruktionen erzielt werden. Dafür kombinieren wir die Expertise von Dr. Leonhard H. Urner (TU Dortmund) in Detergenschemie und Untersuchung von Grenzflächeneigenschaften amphiphiler Moleküle mit der Expertise von Dr. Tobias Raisch (MPI Dortmund) in Strukturbiologie und Kryo-EM von Membranproteinen. Unsere Detergenzien werden in der AG Urner synthetisiert und hinsichtlich ihrer molekularen und Grenzflächeneigenschaften charakterisiert, um die Reinigung und Kryo-EM-Analyse intakter Membranproteine in der AG Raisch zu ermöglichen. Gemeinsam werden wir unsere Hypothese evaluieren, welche besagt, dass ionische/nicht-ionische Hybrid-Detergenzien Membranproteine in Lösung stabilisieren und ihre Wechselwirkungen mit der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft reduzieren. Nach erfolgreicher Evaluierung unserer Hypothese werden wir unsere Erkenntnisse nutzen, um herausfordernde und medizinisch relevante Membranproteine zu charakterisieren, darunter den Superkomplex des Ionenkanals Slo1-CaV, den Nan/Wtrw-Superkomplex und den vollständigen Tyrosinkinase-Rezeptor. Wir werden unsere Ergebnisse kontinuierlich im Format einer Struktur-Eigenschafts-Beziehung diskutieren, um die Rolle von Detergensstrukturen, Membranen und Proteinen bei der Reinigung und Kryo-EM Analyse von Membranproteinen zu verstehen. Dieses Projekt wird Werkzeuge liefern, welche helfen, biologische Prozesse an Membrangrenzflächen besser zu verstehen um ohne Verzögerung neue biologische Erkenntnisse zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen