Water and the hydrophobic effect in biomolecular recognition

Water is the ubiquitous fluid for all known forms of life. Despite this high importance, there is still no comprehensive theory able to explain all of its phenomena. Biomolecular recognition the process through which the molecules which make up living cells and its components interact selectively is also poorly understood on a molecular level. Many events in biomolecular recognition are driven by the hydrophobic effect. This effect is responsible for commonly known phenomena like the immiscibility of water and oil, or the formation of soap micelles. It is also an explanation for the general structure of proteins, and for the way drugs bind to receptors, often very selectively. Gaining deeper understanding of these natural processes could reduce the high cost of developing new and better drugs: this is then called rational drug design. This project systematically investigates some of the aspects how the unique properties of water and the hydrophobic effect influence biomolecular recognition. The hypothesis is, that many water molecules located at the surface of receptors or of the drug are energetically frustrated. Displacing these to the bulk of all water molecules by moving the receptor and the drug molecule closer together may then bring the system closer to its equilibrium. The key point is to find out, which water molecules are best to move, and which are best left untouched. It is assumed that this depends on the shape of the receptor, and the shape complementarity of the drug. To answer these questions experimentally a model system will be used: carbonic anhydrase. It is one of natures fastest catalyst and found in almost all living things, since it is the key respiratory enzyme: it liberates carbon dioxide from its hydrated form (bicarbonate) in the blood stream to be exhaled. Understandably, this enzyme is very well studied, but also easy to handle and to manipulate. This allows us to scrutinize the properties of water molecules at the surface of the receptor when a known drug molecule binds to it. The shape of the binding site will be modulated in order to find out how this affects the energetics of water at the modified spot. Similarly, the drug molecules will also be varied in shape, to be able to distinguish not only between large or small, and flat or spherical, but more detailed properties such as the volume, surface area, electric charge distribution and other molecular descriptors. These aspects have not been investigated so far. Taken together, the experimental findings will be compiled in a computational model, which eventually should predict a drug with superior binding capability. If successful, it is planned to try the method on a different target for validation.

Wasser ist die allgegenwärtige Flüssigkeit aller bekannten Lebensformen. Trotz dieser großen Bedeutung können bis dato nicht alle seine Phänomene in einer umfassenden Theorie erklärt werden. Ebenso rätselhaft ist die Biomolekülerkennung: ein Begriff, der alle Prozesse der spezifischen Interaktion von Molekülen in lebenden Zellen zusammenfasst. Viele dieser Ereignisse sind durch den hydrophoben Effekt bestimmt. Auf diesem Effekt beruhen einige bekannte biologische Phänomene wie die Nichtmischbarkeit von Wasser und Öl, oder die Mizellenbildung in Seifenlösungen. Er erklärt allerdings auch die allgemeine Struktur von Proteinen, und warum Arzneistoffe an Rezeptoren binden. Ein tieferes Verständnis dieser natürlichen Vorgänge könnte zur Reduktion des hohen finanziellen Aufwands zur Entwicklung neuer und besserer Medikamente beitragen, durch einen Prozess names rationaler Wirkstoffentwicklung. In diesem Projekt wurden Aspekte der besonderen Eigenschaften von Wasser untersucht und wie der hydrophobe Effekt auf die Biomolekülerkennung Einfluss nimmt. Wir vermuten, dass viele der Wassermoleküle an der Oberfläche des Rezeptors und des Wirkstoffes energetisch frustriert sind. Wenn diese durch eine engere Bindung der beiden Partner verdrängt werden und sich mit dem Gros des Wassers mischen, wird das gesamte System näher ans Gleichgewicht gerückt. Man muss nun herausfinden bei welchen Molekülen diese Verdrängung vorteilhaft ist, und welche lieber unangetastet bleiben. Wir nehmen an, dass die Form des Rezeptors und die gegengleiche Passform des Wirkstoffes darauf einen großen Einfluss hat. Diese Fragen wurden experimentell anhand des Modellsystems Carboanhydrase beantwortet. Dieses Enzym zählt zu den schnellsten natürlichen Katalysatoren und kommt in fast allen Lebewesen vor. Es ist daher bereits gut erforscht, und noch dazu einfach zu handhaben und zu manipulieren. Mit diesem molekularen Werkzeug kann man nun die Eigenschaften der Oberflächen-Wassermoleküle während des Bindungsvorganges mit einem Wirkstoff untersuchen. Gezielte Veränderungen der Struktur des Wirkstoffes geben darüber Auskunft, ob es nicht nur um grobe Einteilungen wie groß oder klein, und flach oder sphärisch geht, sondern viel mehr um genauere Eigenschaften wie Rauminhalt, Oberfläche, Verteilung elektrischer Ladungen und andere. Diese Betrachtungsweise wurde bisher noch nicht verfolgt. Wir haben den aktuellen Wissenstand sowie unsere Experteneinschätzung auf diesem Gebiet in zwei Übersichtsartikeln zusammengefasst.