Integration von Röntgen-, Neutronen- und Elektronen-Kristallographie zur Aufdeckung von Ladungsverteilungen in Coulomb-Potenzialkarten

• Antragsteller: Dr. Alaa Shaikhqasem
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565987258

Die beeindruckenden Fortschritte in der makromolekularen Kristallographie im letzten Jahrhundert haben die Bestimmung von Proteinstrukturen mit subatomarer Auflösung ermöglicht. Dennoch wird die Untersuchung von Proteinprotonierungszuständen, sei es durch Neutronen- oder durch hochauflösende Röntgenkristallographie, häufig durch den Bedarf an großen, gut geordneten Kristallen erschwert, die schwierig zu erhalten sind. Darüber hinaus können weder Röntgen- noch Neutronenstreuung direkte Einblicke in die Ladungszustände und elektrostatischen Potentiale von Proteinstrukturen liefern. Diese Eigenschaften sind entscheidend für das Verständnis der Biochemie und der Funktionalität von Proteinen, einschließlich Proteinfaltung, enzymatischer Mechanismen, synthetischer Enzymologie und Arzneimittelentwicklung. Jüngste Fortschritte in der Elektronenmikroskopie haben es ermöglicht, Elektronenbeugungsdaten von biologischen Makromolekülen zu sammeln. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen oder Neutronen interagieren Elektronen als geladene Teilchen primär über elektrostatische Kräfte mit den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Kernen der Atome. Dieses Interaktionsmuster führt zu einer berechneten Dichte, die als Coulomb-Potential oder elektrostatisches Potential dargestellt wird. Obwohl Elektronen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffatomen aufweisen und stark von der Ladungsverteilung beeinflusst werden, wird diese Karte häufig zur Konstruktion von Proteinmodellen verwendet und ähnlich wie Elektronendichtekarten aus der Röntgenkristallographie interpretiert. Bisher gibt es keine etablierte Methode zur direkten Zuordnung dieser Merkmale zu Makromolekülstrukturen. Das Projekt zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem ein integrativer Ansatz, der Neutronen-, Röntgen- und Elektronenkristallographie kombiniert, zur Untersuchung von Kristallen des Enzyms Chorismat-Dehydratase angewendet werden wird. Die Neutronenkristallographie wird verwendet werden, um Protonierungs- und Deprotonierungszustände bei verschiedenen pH-Werten zu verfolgen und eine Referenz für die Bewertung von Datenverarbeitungs- und Verfeinerungsmethoden zu liefern, die während des Projekts entwickelt werden. Als Machbarkeitsnachweis wird nach Etablierung der Methodik diese auf Elektronenbeugungsdaten der humanen Transketolase angewendet, um niederenergetische Wasserstoffbrücken zuzuordnen. Darüber hinaus wird die praktische Anwendbarkeit demonstriert, indem mittels Elektronenkristallographie die Rolle der elektrostatischen Potentialverteilung bei der Feinabstimmung des Redoxpotentials im blauen Kupferprotein Pseudoazurin untersucht wird. Dieser umfassende Ansatz, ergänzt durch spektroskopische und biochemische Analysen, wird ein tieferes Verständnis der Proteinstruktur und -funktion ermöglichen. Letztendlich zielt diese Arbeit darauf ab, einen zuverlässigen Interpretationsansatz für Coulomb-Potentialkarten zu etablieren und seine praktische Anwendung zu demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen