Neue Vanadate als Additive für die Proteinkristallisation

Antragsteller: RNDR. LUKŠ KRIVOSUDSK, PHD. CO-Antragsteller: UNIV.-PROF. DR. ANNETTE ROMPEL Polyoxometallate sind Übergangsmetall-Cluster, die eine große Strukturvielfalt und eine Palette von Anwendungen, wie zB in der Katalyse, Magnetismus, Medizin, Elektrochemie, Lumineszenz und Materialwissenschaften zeigen. Doch in den letzten zwei Jahrzehnten hat sich herausgestellt, dass die Interaktion von Polyoxometallaten mit Proteinen genutzt werden kann, um diese als wichtiges Werkzeug für die Proteinkristallisation und deren anschließende Kristallstrukturaufklärung zu verwenden. Eines der prominentesten Beispiele in der Proteinkristallographie war die Anwendung von POMs während der frühen Stadien der Strukturaufklärung des Ribosoms, ein Projekt, das später mit dem Nobelpreis für Chemie im Jahr 2009 prämiert wurde. Das Wissen über Proteinstrukturen ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis ihre Funktionen in Organismen, der Entwicklung von Medikamenten (Drug Discovery) sowie für verschiedene andere Anwendungen in der Medizin, Biochemie und Technik. Das hier vorgestellte Projekt zielt darauf ab, neue Polyoxometallate, überwiegend Vanadate und Vanadium enthaltenden Molybdate, zu synthetisieren. Diese Polyoxometallate werden durch Einführen verschiedene Heteroatome in die Struktur (Phosphor, Schwefel, Fluor) und / oder durch Anbringen von organischen funktionellen Gruppen derivatisiert, um die Optionen für mögliche Wechselwirkungen mit Proteinen zu erweitern. Unser Ziel ist die Synthese - auch unter Entwicklung neuer Synthesemethoden - und strukturelle Charakterisierung neuer Polyoxovanadate mit dem Ziel, diese als Kristallisationsadditive insbesondere für Membranproteineeinzusetzen. Membranproteine sind von größtem Interesse, da ein Drittel aller menschlichen Proteine Membranproteine sind. Jedoch ist die Kristallisation dieser Proteinfamilie aufgrund der Membran-assoziierten hydrophoben Bereiche sehr schwierig und der Grund, warum nur 2% aller gelöst Proteinstrukturen Membranproteine sind. So werden die Ergebnisse dieses Projekts nicht nur die Polyoxometallat-Chemie, sondern das Wissen über (Membran) Protein- Polyoxometallat-Wechselwirkungen bereichern, und hoffentlich zu einer Polyoxometallat- basierte Strategie zur Membranproteinkristallisation führen. Polyoxometallat-Protein- Wechselwirkungen werden mittels Röntgenstrukturanalyse als auch durch verschiedene Methoden in Lösung untersucht, die an der Gasteinrichtung vorhanden sind.

Das Projekt hatte die Synthese und strukturelle Charakterisierung neuer Polyoxometallate als Additive für die Proteinkristallographie oder mit biologischer Aktivität zum Ziel. Polyoxometallate sind diskrete mehrkernige Metall-Oxo-Anionen mit großer Strukturvielfalt und individuellen physikochemischen Eigenschaften. Eine Serie strukturell unterschiedlicher Verbindungen mit Vanadium (Vanadate) wurde hergestellt. Erstmals war auch ein neues Anion mit gemischter Zusammensetzung aus Vanadium und Molybdän, dessen Existenz vor zwanzig Jahren durch Kernresonanzspektroskopie vorhergesagt wurde, unter Verwendung einer einzigartigen auf Vanadium-Peroxido-Komplexen basierten Strategie synthetisch zugänglich. Die Methode stellt einen einfachen und umweltfreundlichen Syntheseweg für Vanadate dar, da nur wässrige Lösungen benötigt werden. Die anfänglichen Vanadium- Peroxido-Komplexe setzen nur Sauerstoff als Nebenprodukt frei. Zwei mit anorganischem biogenem Cobalt und Kupferkationen funktionalisierte Dekavanadate wurden hergestellt und auf ihre Wechselwirkung mit verschiedenen Proteinen hin untersucht, so zum Beispiel menschliche Serumproteine, Modellproteine für die Proteinkristallographie oder das süß wirkende Protein Thaumatin. Die spektroskopische Untersuchung ergab, dass das modifizierte Dekavanadat auf besondere Weise mit den Proteinen wechselwirkt; diese Pilotstudie wird weiterentwickelt, um optimale Bedingungen für diese Art von Verbindungen zur Förderung der Proteinkristallisation zu finden. Das Wissen um Proteinstrukturen ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Funktion im Organismus, die Wirkstoffentwicklung (oder entdeckung) und verschiedene andere Anwendungen in der Medizin, Biochemie und Biotechnologie. Es wurde herausgefunden, dass die anorganische Funktionalisierung von Polyoxometallaten durch Anbringen biogener Metalle wie Cobalt und Kupfer deren Wechselwirkung mit Proteinen so einstellen kann, dass sie geeignete Kandidaten als Kristallisationsadditive für eine sehr differenzierte Vielzahl an Proteinen werden. In einer Kollaboration mit dem Gastprofessor Manuel Aureliano (Universität von Algarve, Portugal) wurden verschiedene Polyoxowolframate als Inhibitoren der ATPase untersucht eines Enzyms zur Energieproduktion in Organismen. Eine ähnliche Studie wurde auch mit dem robusten Phosphotetradekavanadat-Anion durchgeführt, welches die höchste Aktivität im Vergleich zu anderen Vanadaten zeigte. Die Ergebnisse identifizierten einige der untersuchten Verbindungen als potente Enzyminhibitoren sogar unter nahezu physiologischen Bedingungen, weshalb diese als Wirkstoffe mit dem Zielprotein weiter erforscht werden sollten. Mehrere Verbindungen wurden auch hinsichtlich ihrer antimikrobiellen Aktivität untersucht. Die Ergebnisse des Projekts wurden auf dem International Vanadium Symposium 2018, abgehalten in Montevideo, Uruguay, präsentiert. Dabei handelt es sich um eine zweijährliche Konferenz, auf der die neuesten und am meisten herausragenden Leistungen auf dem Gebiet der Vanadiumchemie zusammengetragen werden. Das Konzept der Nutzung von Polyoxometallaten als Proteinadditive wurde auch in Form eines Gastvortrags auf der zweijährlichen Konferenz Advances in Inorganic Chemistry 2018 in Levoca, Slowakei, vorgestellt.