Proteindynamik und Adiabatic Fast Passage NMR Experimente

Die Funktionsweise eines Proteins wird wesentlich (mit)bestimmt durch seine dynamischen Möglichkeiten und konformationellen Freiheitsgrade. Besonders ausgeprägt ist die Proteindynamik bei Enzymen, also Eiweißmolekülen, die die chemische Umsetzung eines Substrats zum Produkt katalysieren. Die durch die chemische Reaktion erfolgte Restrukturierung des Substrates geht einher mit einer komplementären Strukturänderung des beteiligten Enzyms. Die biomolekulare NMR Spektroskopie ist einzigartig in seiner Fähigkeit, Informationen zu liefern über die molekulare Beweglichkeit. Basis für die NMR-basierte Interpretation der Proteinbeweglichkeit ist die sogenannte Kernspinrelaxation. In diesen Experimenten werden die magnetisch- aktiven Kerne des Proteins in definierter Weise irritiert`, d.h. durch angelegte Radiofrequenzfelder aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht. In einer nachfolgenden Relaxationsperiode stellt sich das thermodynamische Gleichgewicht wieder ein, wobei die Geschwindigkeit der Rückkehr ins Gleichgewicht charakteristisch von den dynamischen Freiheitsgraden des Proteins abhängt. Der besondere Vorteil der Methode besteht in der Tatsache, dass Bewegungsinformation mit atomarer Auflösung erhalten wird. Trotz großen Erfolgen in der Vergangenheit bestehen nachwievor gewisse experimentelle Limitierungen der Methodik, die im geplanten Projekt adressiert werden sollen. Ziel des Projektes ist es, einerseits durch Anwendung von adiabatischen Radiofrequenzpulsen (d.h. RF Anregung mit zeitabhängiger Amplituden- und Phasenmodulation) die Genauigkeit der Methode und der daraus abgeleiteten Bewegungs-parameter zu verbessern, und andererseits die Anwendungsmöglichkeiten auf weitere Positionen (Spinsysteme) im Protein auszudehnen. Die im Projekt zu erwartenden Verbesserungen der Methodik führen zu einer signifikanten Erweiterung des bestehenden NMR Methodenarsenals und erlauben in Zukunft eine wesentlich genauere Charakterisierung biologisch relevanter Proteindynamik, und es ist abzusehen, dass die Verfügbarkeit dieser Informationen auch im Bereich der molekularen Medizin und pharmazeutischen Forschung bedeutsam werden wird.

Die Funktionsweise eines Proteins wird wesentlich (mit)bestimmt durch seine dynamischen Möglichkeiten und konformationellen Freiheitsgrade. Besonders ausgeprägt ist die Proteindynamik bei Enzymen, also Eiweißmolekülen, die die chemische Umsetzung eines Substrats zum Produkt katalysieren. Die durch die chemische Reaktion erfolgte Restrukturierung des Substrates geht einher mit einer komplementären Strukturänderung des beteiligten Enzyms. Die biomolekulare NMR Spektroskopie ist einzigartig in seiner Fähigkeit, Informationen über die molekulare Beweglichkeit zu liefern. Basis für die NMR-basierte Interpretation der Proteinbeweglichkeit ist die sogenannte Kernspinrelaxation. In diesen Experimenten werden die magnetisch-aktiven Kerne des Proteins in definierter Weise irritiert, d.h. durch angelegte Radiofrequenzfelder aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht. In einer nachfolgenden Relaxationsperiode stellt sich das thermodynamische Gleichgewicht wieder ein, wobei die Geschwindigkeit der Rückkehr ins Gleichgewicht charakteristisch von den dynamischen Freiheitsgraden des Proteins abhängt. Der besondere Vorteil der Methode besteht in der Tatsache, dass Bewegungsinformation mit atomarer Auflösung erhalten wird. Im Rahmen des Projektes wurde durch Anwendung von sogenannten adiabatischen Radiofrequenzpulsen und mithilfe eines neuen numerischen Analyseverfahrens die Genauigkeit der Methode und der daraus abgeleiteten Bewegungsparameter entscheidend verbessert. In einem nachfolgenden Schritt wurde die Methode auf Protein-Ligand Komplexe und Proteine mit ausgeprägter, interner Dynamik (intrinsisch, ungeordnete Proteine) ausgeweitet. Die im Projekt erarbeiteten Verbesserungen der Methodik führen zu einer signifikanten Erweiterung des bestehenden NMR Methodenarsenals und erlauben in Zukunft eine wesentlich genauere Charakterisierung biologisch relevanter Proteindynamik, und es ist abzusehen, dass die Verfügbarkeit dieser Informationen auch im Bereich der molekularen Medizin und pharmazeutischen Forschung bedeutsam werden wird.