SFB 1078: Proteinfunktion durch Protonierungsdynamik

Wesentliche mechanistische Funktionsprinzipien von Proteinen, wie z.B. das Schlüssel-Schloss-Prinzip bei der Substratbindung, wurden im Laufe der letzten Jahrzehnte identifiziert. Der SFB1078 hat sich zum Ziel gesetzt, ein neues Prinzip im Verständnis der Wirkungsmechanismen von Proteinen einzuführen: Die Kontrolle und Koordination komplexer Proteinfunktion durch Protonierungsdynamik. Räumlich-zeitliche Fluktuationen dieser funktionell relevanten Netzwerke aus Wasserstoffbrückenbindungen resultieren aus der Protonenbewegungen auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen - von Femtosekunden bis Sekunden und von weniger als 0,1 nm bis mehr als 10 nm. Die experimentellen Arbeiten werden mit Theorie und Simulationen verknüpft, um ein vertieftes Verständnis der protonenabhängigen Mechanismen in den ausgewählten Proteinfamilien zu erzielen. Unterschiedliche Facetten der Protonierungsdynamik werden an zwei für die biologische Energieumwandlung zentralen Proteinen untersucht: Die Sauerstoffreduktion, die an das Protonenpumpen durch die Cytochrom-c-Oxidase gekoppelt ist bzw. die Wasseroxidation, die durch Photosystem II katalysiert wird. Letzteres wird durch ein neues Projekt über Photosystem I ergänzt. Während der Elektronentransfer in Proteinen durch größere strukturelle Änderungen verlangsamt oder sogar unterbunden werden kann, spielen lichtinduzierte Konformationsänderungen eine entscheidende Rolle im Mechanismus von Phytochromen und Channelrhodopsinen. Diese strukturellen Veränderungen sind oft mit Protonbewegungen verbunden oder werden durch diese angetrieben. Unter Einbeziehung neuer Projekte werden wir den Forschungsbereich auf pH-gesteuerte Protonenkanäle ausweiten (Viroporine). Die Entwicklung und Anpassung verschiedener Methoden an die Erfordernisse der spezifischen Proteinsysteme ist ein wesentlicher Aspekt des SFB1078. Darunter fallen der Einbau nicht-kanonischer Aminosäuren in Proteine, die zeitaufgelöste serielle Femtosekunden-Röntgenkristallographie, die Kernspinresonanz-Spektroskopie bei hohen Magnetfeldern, die zeitaufgelöste elektronische und Schwingungsspektroskopie in einem weiten dynamischen Bereich sowie die multiskaligen Modellierungsansätze aus der Quantenmechanik, der Molekulardynamik-Simulationen und deren Hybriden. Die Anwendung solch hochentwickelter Techniken auf die Proteine des SFB stellt eine Herausforderung dar, da es sich bei den meisten um integrale Membranproteine handelt. Der SFB1078 verfolgt das Ziel, die Protonierungsdynamik und ihre Rolle in der Funktion der fünf ausgewählten Proteinfamilien umfassend zu verstehen und diesen Prozess als generisches Prinzip der Proteinfunktion zu etablieren. Über den erwarteten wissenschaftlichen Erfolg des SFB1078 hinaus ist die Ausbildung von Doktoranden auf diesem interdisziplinären Gebiet besonders hervorzuheben, da damit eine Grundlage für die Karriereentwicklung nicht nur im akademischen Bereich, sondern auch für gute Berufsaussichten in der Industrie geschaffen wird.