SFB 1078: Proteinfunktion durch Protonierungsdynamik


Wie funktionieren Proteine? Welche Mechanismen wirken bei der Steuerung von Prozessen durch Proteine? Diese Fragen werden in den molekularen Lebenswissenschaften durch Forschungsarbeiten in den Grenzbereichen von Biologie, Chemie und Physik adressiert. Dabei wurden grundlegende Prinzipien der Proteinfunktion wie z.B. das Schlüssel-Schloss-Prinzip der Substratbindung identifiziert. Die Forschung im Sonderforschungsbereich zielt auf ein weiteres Prinzip, bei dem komplexe Proteinfunktionen durch evolutionär optimierte Protonierungsdynamiken koordiniert bzw. ermöglicht werden. Im Phytochrom von Pflanzen und Cyanobakterien wird Licht durch ein Pigment absorbiert. Das Lichtsignal wird dann über die Konformationsänderung einer entfernten Proteindomäne weitergeleitet. Im Phytochrom müssen dazu – wie generell in komplexen Proteinen – verschiedene Funktionsorte oder Domänen koordiniert arbeiten. Dies erfolgt – so die zentrale Arbeitshypothese – über eine spezifische Protonierungsdynamik. Der Begriff „Protonierungsdynamik“ umfasst sowohl die lokale Verlagerung von Protonen in Wasserstoffbrücken-Netzwerken als auch den Protonentransfer über größere Distanzen, womit Veränderungen der langreichweitigen elektrostatischen Wechselwirkungen einhergehen. Zur Bearbeitung dieser Hypothese wurden vier Proteinsysteme ausgewählt, die besonders geeignet sind, um komplementäre Aspekte der Hypothese zu untersuchen. Die Kopplung der Protonierungsdynamik an mehrstufige Redoxreaktionen wird im Fotosystem-II (fotosynthetische Wasseroxidation) und in der Cytochrom-c-Oxidase (Respiration) untersucht, die Wechselbeziehung zwischen Protonierungsdynamik und Konformationsänderungen im Kanalrhodopsin (lichtgesteuerter Ionenkanal) und dem Phytochrom (bi-stabiler Fotorezeptor zur Steuerung von Kinaseaktivität und letztendlich Genexpression). Ziel ist es, die Protonierungsdynamik exemplarisch als Determinante der Proteinfunktion auf einer grundlegenden physikalisch-chemischen Ebene zu verstehen. Dies soll durch Kombination neuer biophysikalischer Experimente mit molekularen Simulationen und quantenchemischen Berechnungen erreicht werden. Die Bearbeitung grundlegender Fragen kann die Entwicklung neuartiger Konzepte in der angewandten Forschung unterstützen, z.B. in den Energiewissenschaften (lichtgetriebene Wasserspaltung, Sauerstoffreduktion), der medizinischen Forschung (optimierte Kanalrhodopsine für neurowissenschaftliche Anwendungen), sowie der Biotechnologie (Phytochrome zur lichtgesteuerten Genexpression).


Projektleitung
SZF-1, Leitung Servicezentrum Forschung (Details) (Servicezentrum Forschung (SZF))

Laufzeit
Projektstart: 01/2013
Projektende: 12/2020

Forschungsbereiche
Biochemie

Forschungsfelder
Biochemie, Biophysik, (Bio-) physikalische Chemie, Kristallografie, Molekularbiologie, Spektroskopie, Strukturbiologie, Theoretische Physik, Weiche Materie

Zuletzt aktualisiert 2021-15-07 um 16:59