Lokale Sonden für kollektive Bewegungen: Kombination von 2D-IR-Experimenten und molekularer Simulationen zur Charakterisierung niederfrequenter Proteinschwingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Bredenbeck
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579751893

Proteinbewegungen sind zentral für Proteinfunktion. Niederfrequente Schwingungsmoden unter ~100 cm⁻¹ (3 THz) werden mit essenziellen Prozessen wie Energietransport, Ligandenbindung und Konformationsänderungen in Verbindung gebracht. Für unterdämpfte niederfrequente Moden (ULFMs) wurde die Hypothese aufgestellt, dass sie an Reaktionskoordinate enzymatischer Prozesse gekoppelt sein und die Katalyse beeinflussen können. Ihre Charakterisierung ist eine große Herausforderung, da Protein und umgebendes Wasser eine hohe Dichte an Schwingungszuständen besitzen. Das Projekt begegnet dieser Schwierigkeit durch die Kombination von 2D-IR-Spektroskopie, ortsspezifischen IR-Markern, Molekulardynamik-(MD)-Simulationen und theoretischer Spektroskopie mit maßgeschneiderten und maschinell gelernten Energiefunktionen. IR-Marker absorbieren in einem Spektralbereich ohne Überlagerung durch Protein oder Wasser. Ihre Frequenz hängt von der lokalen Umgebung ab; daher erscheinen periodische Proteinbewegungen (ULFMs) als periodische Modulation der Markerfrequenz. Diese Dynamik wird in der Frequenz-Frequenz-Korrelationsfunktion (FFCF) erfasst, die experimentell mittels 2D-IR und rechnerisch aus MD gewonnen wird. Der IR-Marker liefert so ein lokales Spektrum der Proteinmoden, die mit seiner hochfrequenten Schwingung gekoppelt sind – ein „Zoom“ in ausgewählte Proteinbereiche. Mit dem Marker p-CN-Phe wird die humane Carboanhydrase II (hCAII) untersucht, bei der niederfrequenten Moden eine funktionelle Rolle zugeschrieben wurde. In der ähnlichen bCAII konnten wir bereits niederfrequente Oszillationen durch ein zufällig am aktiven Zentrum bindendes Molekül identifizieren. Die Verwendung von IR-Markern erlaubt nun eine flexible Platzierung der Marker an beliebigen Proteinpositionen und die Erweiterung auf viele Proteine. Für die MD-Simulationen wird die potenzielle Energiefläche der Marker mittels eines Cluster-Ansatzes beschrieben. Referenzrechnungen mit bis zu 20 umgebenden Wassermolekülen dienen zur Anpassung der Lennard-Jones-Wechselwirkungen. Elektrostatische Wechselwirkungen werden durch ein maschinell gelerntes, minimales Ladungsmodell beschrieben, während gebundene Wechselwirkungen der IR-Markergruppe mittels Reproducing-Kernel-Hilbert-Raum-Methoden erfasst werden. Alle Proteine werden hydratisiert simuliert, um FFCFs zu berechnen, die direkt mit Experimenten verglichen werden. Da MD die vollständige Konformationsdynamik enthält, lassen sich die den Spektroskopiesignalen zugrunde liegenden Bewegungen identifizieren und analysieren. Dieses kombinierte experimentell-theoretische Vorgehen ermöglicht zudem das rationale Design von Mutanten für optimale Markerpositionierung sowie die Auswahl geeigneter Marker für bestimmte Positionen. Insgesamt etabliert das Projekt eine allgemeine, erweiterbare Methodik zur Detektion, Charakterisierung und Interpretation niederfrequenter Proteinmoden und schafft so die Grundlage für eine fundierte Bewertung ihrer biologischen Relevanz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Markus Meuwly