Seitenkettenkorrektur mittels Elektronendichte

Die in der Protein Datenbank (PDB) abgelegten experimentell bestimmten Proteinstrukturen enthalten eine Vielzahl an Fehlern. Tausende solcher Strukturen werden aus dieser Datenbank täglich heruntergeladen und verbreiten diese Fehler weiter in die Forschungslabors rund um die Welt. Das wiederum beeinträchtigt molekulardynamische Simulationen, die Berechnung des elektrostatischen Oberflächenpotentials und im Wirkstoffdesign gebräuchliche Methoden wie in silico Docking oder virtuelles Screening. Daher sollte dem Finden und der Korrektur solcher Fehler höchste Priorität einberaumt werden. Ein häufig auftretendes Problem in Proteinstrukturen, die mittels Röntgenbeugungsmethoden bestimmt wurden, ist die falsche Zuweisung der endständigen Seitenkettenatome der Aminosäuren Asparagin (Asn), Glutamin (Gln) und Histidin (His). In diesem Fall werden die Seitenkettenatome in eine symmetrisch scheinende Elektronendichte modelliert, wobei als Lösung zwei Rotamere infrage kommen, die durch eine 180 Grad Rotation ineinander übergeführt werden können. Gängige Strukturverfeinerungsprotokolle erkennen diesen Fehler nicht automatisch. Somit wird jede vierte Asn/Gln/His Seitenkette falsch in der PDB abgelegt, was in hunderttausende inkorrekt bezeichnete Atome resultiert, die grundlegende physikalisch-chemische Gesetze verletzen. In den letzten Jahren stieg die Zahl der Proteinstrukturen, für die experimentell bestimmte Elektronendichten zur Verfügung stehen, stark an und eröffnet dadurch einen neuen, zuvor nicht zugänglichen Mechanismus, diese Fehler mit noch nie gesehener Genauigkeit zu korrigieren: Wir zeigen, dass für hoch aufgelöste Proteinstrukturen das chemische Element der mehrdeutigen Asn/Gln/His Seitenkettenatome alleinig unter Zuhilfenahme der Elektronendichte bestimmt werden kann und somit die richtige Lösung liefert. Wir präsentieren diesen Ansatz als komplementärere Herangehensweise zu unserer vorher publizierten NQ-Flipper Methode. Anhand von ausgewählten Beispielen zeigen wir, dass dieser Zugang zuverlässig die richtige Lösung findet, insbesondere wenn andere Methoden dies nicht mehr zustande bringen. Auf diesen Beispielen beruhen Vorschläge, diese Methode als Computeralgorithmus zu implementieren. Das Joint Center for Structural Genomics (JCSG), ansässig in San Diego, hat gerade seine tausendste Proteinstruktur in der PDB deponiert und sich speziell darauf verpflichtet, qualitativ hochwertige Modelle von Proteinstrukturen durch einen halbautomatisierten, gut dokumentierten und nachvollziehbaren Weg zur Verfügung zu stellen. Das JCSG stellt somit die ideale Umgebung zur Entwicklung, Einbindung und Evaluierung dieses vorgeschlagenen Ansatzes dar, sowie zu dessen Etablierung und Weiterverbreitung. Weiters bietet diese Einrichtung die einzigartige Möglichkeit, erstklassiges Training zur Bestimmung von Proteinstrukturen zu erhalten und gleichzeitig als zentraler Knoten zum Ausbau von Netzwerken innerhalb dieser Gemeinschaft zu dienen. Als solches kommen das so erworbene Wissen und die aufgebauten Netzwerke der österreichischen Wissenschaft bei einem Wiedereintritt mit Sicherheit zugute.