Auswirkungen von Druck auf die molekulare Dynamik von Lipoproteinen

Ziel des Grundlagenprojektes LDLPRESS ist eine umfassende Aufklärung von molekularen Bewegungsvorgängen in humanem Low Density Lipoprotein (LDL) unter Einwirkung von hohem hydrostatischen Druck. Druck ist eine thermodynamische Zustandsgröße mit deren Hilfe physikalische Größen von Makromolekülen sowie dynamische Eigenschaften von supermolekularen Strukturen bestimmt werden können. Durch jüngste Entwicklungen im Bereich von Hochdruckzellen, insbesondere in Kombination mit Streumethoden, eröffnen sich neue Möglichkeiten auch komplexere biologische Systeme unter Hochdruck zu untersuchen. Im Mittelpunkt dieses Projektes stehen natürlich vorkommende und biochemisch veränderte LDLNanoteilchen, die ein hochmolekulares Gefüge aus Phospholipiden, Cholesterin, Fett und einer Proteinkomponente sind. Um ein möglichst vollständiges Bewegungsmuster zu erhalten, sollen Streudaten aus zwei komplementären Hochdruck-Streutechniken - Röntgenkleinwinkelstreuung und Neutronenstreuung - kombiniert werden. Hierbei werden charakteristische Druck- Temperatur- Diagramme erstellt um diese mit dem Bewegungsverhalten von LDL-Teilchen unterschiedlicher Lipidzusammensetzung zu korrelieren. Wir gehen davon aus, dass Lipoproteine äußerst sensibel auf Druck reagieren und ein komplexes membranähnliches dynamisches Verhalten aufweisen. Da derartige Experimente mit Hochdruck und Lipoproteinen noch nie durchgeführt wurden, beschreiten wir hiermit wissenschaftliches Neuland. Abgesehen von Fortschritten bei der Charakterisierung von Lipoproteinen, erhoffen wir auch maßgebliche technische Verbesserungen in der Verwendung von Hochdruck-Streumethoden für biologische Systeme. Im vorliegenden Projekt LDLPRESS planen wir eine Bündelung aktuellen Wissens über die Dynamik von Lipoproteinteilchen mit neuen Druckdaten und vorhandenen Informationen aus Hochdruckstreuexperimenten an Proteinen und Membranen. Dabei von Vorteil sind die komplementären Erfahrungen der Projektpartner einerseits mit Hochdruckstreutechniken und andererseits mit Lipoproteinen. Das Projekt ist interdisziplinär und in drei Arbeitsschritte gegliedert, die alle Aspekte der Präparation, Modifikation, biochemischen und biophysikalischen Charakterisierung, sowie Röntgen- und Neutronenstreuexperimente umfassen. Wesentliche Schwerpunkte des Projektes sind: (i) Die Untersuchung druckabhängiger Bewegungsmuster der Kernlipide als Funktion der Temperatur und der Lipidzusammensetzung. (ii) Die Auswirkungen von Druck, chemischer Zusammensetzung und des physikalischen Zustands der Kernlipide auf die molekulare Beweglichkeit der Phospholipidhülle und der Proteindynamik. (iii) Untersuchungen von spezifischen Modifikationen von LDL auf die Dynamik, molekulare Anordnung und das Zusammenspiel von Lipiden und Protein unter Druck. Aus der Verknüpfung aller Daten erwarten wir ein umfassenderes Bild von der Struktur und Dynamik von LDL zu erhalten, vor allem bezüglich dessen biologischer Rolle. Letztendlich zielt das Projekt auf ein besseres Verständnis von LDL assoziierten Krankheiten wie Atherosklerose und kardiovaskuläre Erkrankungen ab, vorallem in Hinblick auf LDL-basierende medizinische Anwendungen.

Im Projekt LDLPRESS ist es uns gelungen, molekulare Bewegungsvorgänge und strukturelle Veränderungen in humanen Low Density Lipoprotein (LDL-) Teilchen unter Einwirkung von hohem hydrostatischen Druck nachzuverfolgen. Durch jüngste Entwicklungen im Bereich von Hochdruckzellen, insbesondere in Kombination mit modernsten Streumethoden, wurde es möglich auch komplexere biologische Systeme, wie LDL, unter Hochdruck zu untersuchen. Im Mittelpunkt dieses Projektes standen definierte LDL-Nanoteilchen, die ein hochmolekularesGefügeausPhospholipiden,Cholesterin, Fett und einer Proteinkomponente darstellen. Es wurden native LDL-Teilchen mit natürlich vorkommenden fettreichen und oxidativ veränderten Teilchen, die ein erhöhtes Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen darstellen, verglichen. Um ein möglichst vollständiges Struktur- und Bewegungsmusterzu erhalten,wurdenDaten aus Röntgen- und Neutronenstreuexperimenten kombiniert. Durch eine verfeinerte 3D-Modelanalyse, die auf der Form eines Superellipsoids basiert, konnten aus den Röntgenstreudaten sowohl die Morphologie, wie die interne Schichtstruktur dargestellt werden. Die experimentell gemessenen Daten von nativem LDL wurden mit berechneten Daten aus Cryo e.m. 3-D Modellen verglichen und eine gute Übereinstimmung erzielt. Wir haben gefunden, dass sowohl die strukturellen wie die dynamischen Daten der LDL-Nanoteilchen, entsprechend ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung, ein charakteristisches Verhalten in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zeigten. Parallel zu den Experimenten unter hydrostatischen Druck, haben wir untersucht, ob LDL- Teilchen unter zu Hilfenahme von selbst-assemblierenden Peptiden stabilisiert werden können, um eventuell als molekulare Matrix in der Nanomedizin Verwendung zu finden. Letztendlich konnte gezeigt werden, dass LDL-Teilchen unterschiedliche Formen und Beweglichkeiten aufweisen, aber erstaunlich resistent gegenüber mechanischem Stress sind, eine Erkenntnis, die vor allem in Hinblick auf LDL-basierende medizinische Anwendungen äußerst interessant ist.