Abstandsmessungen an orthogonalen Cu(II) Spinmarkierungen und natürlichen Cu(II)-Zentren in Proteinen und Peptiden mittels 19F ENDOR Spektroskopie

• Antragsteller: Dr. Andreas Meyer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575891254

19F Electron nuclear double resonance (ENDOR) ist eine spektroskopische Methode zur Bestimmung biomolekularer Abstände in der Größenordnung von 1 - 2 Nanometern. Grundlage ist die Messung der abstandsabhängingen, magnetischen Dipolkopplung zwischen einem 19F Kernspin und einem Elektronenspin eines paramagnetischen Zentrums. In typischen Anwendungen werden sowohl der 19F Kern als auch das paramagnetische Zentrum als Spinmarkierungen in ein biologisches Makromolekül eingeführt. Nitroxid-Radikale sind zweifellos die meistgenutzten paramagnetischen Markierungen, weisen aber einige praktische Nachteile auf, insbesondere eine flexible Anbindung an das Biomolekül in der Größenordnung von 0.7 Nanometern, was zu erheblichen Unsicherheiten bei der Interpretation der gemessenen Abstände führt. Die Kernidee meines Antrages ist daher Cu(II)-Spinzentren für 19F ENDOR zu etablieren, die diese Schwierigkeiten umgehen und weitere Vorteile aufweisen. Gleichzeitig besitzt Cu(II) einige herausfordernde Eigenschaften, beispielsweise eine schnelle magnetische Relaxation, sodass es unklar ist, in welchem Ausmaß 19F ENDOR mit Cu(II)-Zentren funktioniert. Die Methodik wird in meinem Projektvorschlag daher zunächst systematisch in einem Modellprotein mit rigiden Cu(II)-Spinmarkierungen entwickelt. Dafür liegen bereits erste, vielversprechende Ergebnisse vor, die die Durchführbarkeit des Vorhabens bestätigen. Die am Modellprotein entwickelten Protokolle werden anschließend zur strukturellen Untersuchung eines Peptidhormon/Cu(II)-Komplexes genutzt, für den eine teilweise ungeordnete Struktur erwartet wird, sodass sowohl Kristallographie als auch Kryoelektronen-Mikroskopie für den vorliegenden Fall ungeeignet sind. Da das Peptid eine natürliche Cu(II)-Bindungsstelle aufweist, wird in diesem Fall jegliche zusätzliche Flexibilität durch Einführung der Spinmarkierung vermieden. Im letzten Teil des Projektes wird die Möglichkeit zur Verwendung des 19F/Cu(II)-Paars im Rahmen orthogonaler Spinmarkierungsstrategien untersucht, die für ENDOR bislang praktisch nicht verwendet werden. Hier wird ein Modellsystem vorgeschlagen, das zusätzliche Nitroxid-Radikale enthält. Das erlaubt die selektive Messung von Paardistanzen (Cu/19F, Cu/Nitroxid, Nitroxid/19F) sowie das Aufstellen von Drei-Spin-Korrelationen. Besonders in Fällen mit unbekannter Struktur ist ein solches Informationsnetzwerk weit wertvoller als eine einzelne Paardistanz, die mit bisherigen Strategien erhalten wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen