Polyoxoionen für die Proteinkristallisation

Antragstellerin: Dr. Nadiia Gumerova (wissenschaftliche Mitarbeiterin, Fakultät für anorganische Chemie, Nationale Universität Donezk, Ukraine) Mitautorin: Prof. Annette Rompel (Vorständin des Instituts für Biophysikalische Chemie, Universität Wien, Österreich) Die Proteinkristallographie ist das produktivste und am weitesten verbreitete Verfahren, um strukturelle Informationen von Zielproteinen und Protein-Ligand-Komplexen auf atomarer Ebene zu erhalten. Diese Informationen sind für das Verständnis von Proteinen in Biologie, Chemie und Biochemie unerlässlich. In dieser Studie untersuchen wir die gegenwärtig bestehende Unvorhersehbarkeit der Kristallisation von Proteinen, die einen unumgänglichen Schritt in jeder strukturellen Studie zur Proteinkristallographie darstellt, und immer noch auf dem Prinzip von Versuch und Irrtum beruht, mehrere Jahre dauern kann und häufig Milligramm-Mengen von hochreinen und homogenen Proteinpräparaten erfordert. Es wurde mehrfach berichtet, dass Polyoxometallate (POMs), diskrete polynukleare Oxoanionen von Metallen mit einer faszinierenden Vielfalt an Strukturen und einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften das Kristallisationsverhalten von Proteinen positiv beeinflussen und als nützliches Instrument in den Studien zur Kristallisation und Kristallographie via Derivatisierung dienen. Das Hauptanliegen des vorliegenden Proposals ist die Synthese und Charakterisierung von anorganischen und hybriden organisch-anorganischen Oxo-Ionen von Metallen (Kationen und Anionen), um ihr Anwendungspotenzial im Bereich der Proteinkristallographie zu untersuchen. Die wissenschaftliche Innovation und der einmalige Charakter des Projektes bestehen in der Anwendung von anionischen und kationischen POMs zur Ko-Kristallisation mit Proteinen. Der positive Effekt, den die anionischen POMs bereits gezeigt haben, erfordert die Anwendung von kationischen POMs in der Kristallisation von Proteinen. Die Kombination von organischen Fragmenten, die unterschiedliche Konstellation annehmen können, mit anorganischen Polyanionen mit ziemlich starren gitterartigen Strukturen wird das Zusammenwirken der Makromoleküle verbessern, was die Basis für die erfolgreiche Kristallbildung ist. Die vorliegende Studie hat einen breiten intersektoralen Charakter von anorganischer Chemie über organische Derivate hin zur Biochemie unter Anwendung von biophysikalischen Charakterisierungsmethoden und wird im Erfolgsfall einen Durchbruch für künftige Studien im Bereich der makromolekularen Kristallographie schaffen. Die Antragstellerin (Dr. Nadiia Gumerova) untersuchte spezielle Aspekte von Anderson-Typ- Strukturen (mit anschließender Promotion an der Nationalen Universität Donezk, Ukraine) und hat daher Expertenkenntnisse im Bereich der Synthese der Polyoxometallate sowie deren Lösungsverhalten. Die Gastgeberin (Prof. Annette Rompel) ist führende Forscherin im Bereich der Kristallographie von Metalloproteinen. Die Kombination von Fachkompetenz und idealen Experimentiermöglichkeiten an der Universität Wien gibt dem Projekt die beste Chance auf Erfolg.

Polyoxometallate (POMs) sind diskrete mehrkernige Metall-Oxo-Anionen mit einer faszinierenden Strukturvielfalt und einzigartigen chemisch-physikalischen Eigenschaften. Ihr volles Potential kann durch Erhöhung der Biokompatibilität mittels organischer Funktionalisierung mit bioaktiven Gruppen optimiert werden. In den letzten Jahren haben sich POMs zu einer vielversprechenden Gruppe von Additiven zur Proteinkristallisation herausgebildet. Proteinkristallographie ist die am weitesten verbreitete Methode zur molekularen Strukturaufklärung von Proteinen und deren Wechselwirkungen mit Liganden auf atomarer Ebene. Organisch-anorganische Hybrid-Polyoxowolframate (POTs) können verschiedenste denkbare Interaktionsarten zwischen einem POM und einem Biomolekül eingehen. Die Möglichkeit, anorganische POMs, besonders den Anderson-Typ, mit organischen Gruppen auszustatten, eröffnet somit die Synthese maßgeschneiderter POMs. Während des Projekts wurden Cr-zentrierte Anderson-POTs zum ersten Mal von zwei Seiten organisch funktionalisiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Doppelfunktionalisierung sogar in dem Fall möglich ist, wenn das anorganische Ausgangsanion nur drei Protonen im kristallinen Zustand trägt. Es war allgemein akzeptiert, dass die chemische Konjugation von Triol-Liganden an Anderson-Anionen unmöglich ist, wenn sie unprotonierte 3-O-Atome laut Röntgenstrukturanalyse am Einkristall aufweisen. Die neu erhaltene POT-Verbindung kann zu einem Paradigmenwechsel der Alkoxylierung von A-Typ-Anderson-POTs mit neuen Eigenschaften führen, die sich von denen bereits bekannter Hybridstrukturen basierend auf dem protonierten Anderson-Archetyp unterscheiden. Der Weg zur Überwindung der Resistenz des A-Typs gegen Funktionalisierung ist eine temperaturgesteuerte hydrothermale Synthesestrategie, die zuvor noch nie für die Tris-Funktionalisierung des Anderson- Archetyps angewandt wurde. Mit der vorgestellten Methode können Anderson-POMs gemischten Typs mit einer protonierten und einer nicht protonierten Seite in zwei Schritten asymmetrisch funktionalisiert werden, wobei zwei verschiedene organische Gruppen selektiv an jeweils eine Seite des Clusters gekoppelt werden. Zumal die eingeführten organischen Liganden aktive funktionelle Gruppen darstellen, können Anderson-basierte Hybride als Vorläufer für die weitere Postfunktionalisierung via Imin-, Amid- oder Esterbindung zur Anwendung in der Proteinkristallisation eingesetzt werden. Komplementär zum Design von POMs für die Proteinkristallisation wurden die Projektinteressen auch auf andere höchst bedeutsame biologische Aktivitäten ausgeweitet, zu denen antibakterielle Aktivität sowie die enzymatische Inhibition von P-Typ-ATPase und Champignon-Tyrosinase zählen.