Zeitaufgelöste Quantenkaskadenlaser (QCL)-IR-Spektroskopie zur Entschlüsselung von Membrandynamik während der Proteinaktivität

• Antragstellerin: Professorin Dr. Karin Hauser
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564132680

Die zeitaufgelöste IR-Spektroskopie ist eine leistungsstarke markierungsfreie Methode zur Untersuchung biomolekularer Dynamik und Interaktion. Durch die Einführung von Quantenkaskadenlasern (QCL) wurde eine IR-Quelle geschaffen, die im Vergleich zur FTIR-Spektroskopie eine höhere spektrale Brillanz aufweist und damit eine hohe Empfindlichkeit und Datenqualität bietet, um kleine spektrale Änderungen während der Aktivität von Membranproteinen zu analysieren. In diesem Projekt werden wir das Modellmembranprotein Bacteriorhodopsin (BR), eine lichtgetriebene Protonenpumpe, deren Photoaktivität IR-spektroskopisch gut charakterisiert ist, in Kombination mit photoschaltbaren künstlichen Membranen verwenden, um unser Wissen über Membrandynamik, Membranfunktion und ortsspezifische Membran-Protein-Wechselwirkungen zu erweitern. In unseren bisherigen step-scan FTIR-Studien mit BR konnten wir den Einfluss der umgebenden Lipidmembran auf die Aktivität von BR nachweisen, d.h. Veränderungen in der Protonentranslokationsdynamik sowie der Konformationsdynamik des Proteins. Ein direktes Messen der Lipidschwingungsmoden und quantitative Analysen waren mit der FTIR-Spektroskopie jedoch nicht möglich, da diese Methode an ihre Grenzen stößt. Erst die Anwendung unseres selbstgebauten QCL-Spektrometers ermöglichte es uns, die Lipiddynamik quantitativ zu analysieren und mit der Photoreaktion von BR zu korrelieren. Als Hauptschwerpunkt des Projekts werden wir den Einsatz von photoschaltbaren Membranen untersuchen, um Membrandynamik kontrolliert zu induzieren, spezifische Lipid-Protein Wechselwirkungen zu identifizieren und die Auswirkungen auf die Proteinaktivität zu beobachten. Dazu werden verschiedene mimetische Membranen (Vesikel und Nanodiscs) nach CW- und gepulstem Photoschalten durch zeitaufgelöste QCL-Spektroskopie charakterisiert. Vesikel sind häufig verwendete mimetische Membranen, während Nanodiscs Einblicke in den lateralen Druck von Membranen ermöglichen. Wir werden verschiedene Lipidschwingungsmoden als lokale Sonden evaluieren, um unterschiedliche Membranregionen zu untersuchen. Rekonstitution von BR in die photoschaltbaren Membranen wir es erlauben, quantitativ zu analysieren, inwieweit die induzierte Membrandynamik den Protonentransfer und die Konformation von BR beeinflusst. Ein Hauptziel besteht darin, Membranzustände während der Proteinaktivität zu charakterisieren. Damit werden wir ein tieferes Verständnis über die Rolle der Membrandynamik für die Funktion von Membranproteinen im Allgemeinen gewinnen. Perspektivisch sollen die Erkenntnisse aus den Modellsystemen auf andere Membranproteine und Prozesse übertragen werden, wie z.B. den Membraninsertion von Proteinen. Die Empfindlichkeit der zeitaufgelösten QCL-Spektroskopie wird das komplexe Zusammenspiel von Proteinen und Membranen mit hoher molekularer Auflösung aufdecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen