Molekülübergreifende Dynamik und Allosterie in einem Multidomänen Protein

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Hugel; Dr. Steffen Wolf
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569868905

Die Dynamik von Proteinen wurde schon auf einem breiten Spektrum von Zeitskalen untersucht. Häufig wurde dabei die Dynamik im Nano- und Pikosekundenbereich lokalen Fluktuationen zugeschrieben, die von den Zeitskalen globaler struktureller Konformationsänderungen im Mikrosekunden- bis Sekundenbereich klar separiert sind. Es ist aber weitgehend unbekannt, ob bzw. wie solche schnellen (lokalen) Fluktuationen zu langsamen globalen (allosterischen) Konformationsänderungen führen können. Im letzten Jahr wurden in Experimenten molekülübergreifende Dynamiken auf der Zeitskala von 100 ns beobachtet, die das Potenzial haben, die Lücke zwischen den verschiedenen Zeitdomänen und den damit verbundenen Längenskalen der Fluktuationen und Konformationsänderungen zu schließen. In diesem Antrag wollen wir eine Kombination aus MD-Simulationen und Einzelmolekül-Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie verwenden, um die Ausbreitung von (allosterischen) Signalen auf molekularer Ebene und ihre Entstehung aus lokalen Fluktuationen zu untersuchen. Dazu gehört auch die Bestimmung der Geschwindigkeit und des Mechanismus, d.h. der sequenziellen oder globalen Signalausbreitung. Darüber hinaus werden wir herausarbeiten, wie Modulatoren die Fluktuationen an allosterischen Stellen und die Proteinfunktion beeinflussen. Wir werden also nicht nur quantifizieren wie die strukturellen, sondern auch wie die dynamischen Eigenschaften durch Nukleotide, Helferproteine, Substrate oder Medikamente reguliert werden. Die gewonnenen Daten werden auch ein Maß dafür sein, wie gut MD-Simulationen mit experimentellen Daten für die Dynamik von Multi-Domänen Proteinen übereinstimmen. Insgesamt werden wir ein molekulares Verständnis dafür gewinnen, wie Fluktuationen und ihre Regulierung globale Konformationsänderungen und allosterische Kommunikation und Funktion in Multi-Domänen Proteinen bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen