Zeitaufgelöste serielle Kristallographie zur Entschlüsselung enzymatischer Dynamiken und Intermediate der Luciferase-Katalyse mittels innovativer Methoden zur in situ-Bereitstellung von Sauerstoff

• Antragsteller: Dr. Johannes Lang
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564012687

Enzyme sind Proteine, die zahllose chemische Reaktionen in Zellen eines jeden Organismus‘ ermöglichen und damit für deren Metabolismus und Biosynthesen verantwortlich sind. Enzyme, die die Oxidation ihres Substrates ermöglichen, werden Oxygenasen genannt und nutzen Sauerstoff für diese Reaktion. Eine besondere Gruppe der Oxygenasen sind Luciferasen, die die Besonderheit aufweisen, dass bei ihrer Reaktion ein Photon Licht entsteht. Dieser Effekt ist verantwortlich für den bemerkenswerten Prozess der Biolumineszenz, der u.a. in Pilzen, Korallen und Insekten wie den Glühwürmchen beobachtet werden kann und der von Wissenschaftlern in der biomedizinischen Grundlagenforschung und der Arzneistoffentwicklung genutzt wird. Trotz der umfangreichen biomedizinischen Nutzung dieser Luciferasen ist wenig über die detaillierten Reaktionswege und dynamischen Prozesse während der enzymatischen Umsetzung ihrer Substrate bekannt. Ziel dieses Projektes ist es, mit Hilfe modernster Technik zeitaufgelöster serieller Kristallografie diese Strukturen und Prozesse auf atomarer Ebene aufzuklären – ein Vorhaben, das bisher noch niemandem auf dem Gebiet der Luciferasen und verwandten Enzymen gelungen ist. Da die Luciferasen Sauerstoff(O₂)-abhängig sind und die benötigte O₂-Konzentration im Kristall nur bedingt durch momentan verfügbare Methoden erreicht werden kann, verfolgt dieses Projekt als weiteres Ziel die Entwicklung neuer Techniken, die schnell und in ausreichender Menge O₂ zur Verfügung stellen. Dadurch würde die Aufklärung intermediärer Strukturen vereinfacht werden. Ein Fokus liegt dabei auf Enzymen, die auf Zugabe ihres Substrates große Mengen O2 produzieren können. Eine Alternative stellen Photocages dar – chemische Verbindungen, die durch einen Laserpuls O₂ freisetzen. Mit der Optimierung dieser Methoden kann ein wichtiger Beitrag zu der Weiterentwicklung gas-abhängiger zeitaufgelöster serieller Kristallographie und anderer spektroskopischer Methoden geleistet werden, die dem gesamten Forschungsfeld zugutekommt. Die erwarteten Ergebnisse dieses Antrags werden Einblicke in die präzise dynamische Kontrolle katalytischer Prozesse liefern, wodurch das Verständnis enzymatischer Funktionen vertieft und neue Ansätze zur gezielten Nutzung und Beeinflussung dieser Reaktionen eröffnet werden können.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Dr. Patrick Rabe