Struktur und Wechselwirkung von Enzyminetzwerken und ihren Metaboliten in situ mittels Raman-Mikrospektroskopie

Die Katalyse erstreckt sich über verschiedene Ebenen: von der Aktivierung bestimmter Bindungen über katalytische Kaskaden bis hin zur Einbettung katalytischer Systeme in größere Umgebungen, wie beispielsweise Zellen. Die Organisation von Katalysatoren in subzellulären Nischen führt zu Vorteilen hinsichtlich der Konzentrationen und optimierten Mikroumgebungen, wirft aber auch Fragen auf, wie beispielsweise die Frage, wie der Transport und die lokale Koordination erreicht werden. Dies betrifft Katalysatoren (Enzyme), aber auch Substrate und Produkte. Eine zusätzliche Komplexitätsebene entsteht durch die Modulation der Katalyse als Reaktion auf zelluläre Bedürfnisse. Die Katalyse als integrierter Prozess, der katalytische Systeme, Modulatoren und Logistik umfasst, lässt sich durch In-situ-Methoden wie Vernetzung und In-situ-spektroskopische Methoden untersuchen. Diese ermöglichen die Detektion von Protein-Protein-Wechselwirkungen in ihrem natürlichen Kontext und können durch Informationen über die Struktur und Wechselwirkung von Enzymen und/oder Metaboliten Aufschluss über die metabolische Reaktion auf Systemherausforderungen geben.
Das Projekt wird Enzymnetzwerke de novo aufdecken, sie mit Netzwerken von Metaboliten verbinden und die zugrunde liegende Struktur und Zusammensetzung von Katalysatoren in diesen spezifischen Kaskaden in situ charakterisieren. Wir werden Informationen über Enzyme gewinnen, die in ausgewählten Organellen wie Mitochondrien oder der endolysosomalen Umgebung wirken. Diese Kompartimente können in intakten Zellen beobachtet werden, aber sie lassen sich auch in isolierten Fraktionen identifizieren, reinigen und fraktionieren und dienen als Quelle für „reine” Enzymnetzwerke. Die Expertise der Teammitglieder in den Bereichen Proteinvernetzung und Beschreibung von Protein-Protein-Wechselwirkungen mittels In-situ-Vibrationsspektroskopie und Mikroskopie mit einer Auflösung im Mikrometer- bis Nanometerbereich sowie NMR-Spektroskopie von Proteinen in Membranen wird durch theoretische Arbeiten ergänzt, die Proteinwechselwirkungen in realen lokalen Umgebungen beschreiben können. Wir werden die metabolische Reaktion von kultivierten Zellen auf spezifische Herausforderungen, z. B. Hunger, pH-Änderung usw., auf molekularer Ebene (Enzymstruktur und -interaktion sowie Substrat/Produkt) in situ untersuchen. Die Kombination aus Protein-Protein- und Protein-Substrat-/Produkt-Zusammensetzung und -Wechselwirkung (molekulare Strukturinformationen) mit der Überprüfung der tatsächlichen Beteiligung bestimmter Enzyme in Netzwerken durch Vernetzung, unterstützt durch MD-Simulationen, die die Verdichtung sowie die Bildung und Unterbrechung von Wechselwirkungen berücksichtigen, ist aus methodischer Sicht einzigartig. Sie wird das Verständnis der Enzymkatalyse auf molekularer Ebene mit der Lokalisierung der Prozesse im realen Biosystem oder anderen komplexen Umgebungen verbinden.