Designte Proteinporen mit maßgeschneiderter Geometrie

Die Bausteine der Natur, Proteine, sind aus Aminosäuren aufgebaut, die sich zu einer spezifischen dreidimensionalen Struktur zusammenlagern. Diese spezifische Struktur von Proteinen erlaubt ihnen nahezu alle lebenswichtigen Prozesse in einer Zelle zu übernehmen. Die Abfolge der Aminosäuren auf einer Kette wird Aminosäuresequenz genannt und stellt die Primärstruktur von Proteinen dar, die alle notwendigen Informationen zur Faltung der finalen Struktur beinhaltet. Paradoxerweise ist die Anzahl der Möglichkeiten, die eine Aminosäuresequenz hat sich in eine definierte Struktur zu falten so groß, dass selbst kleine Proteine länger als das Alter unseres Universums brauchen würden, um alle möglichen Konformationen zu durchlaufen. Dieses Paradoxon wird als das Protein-Faltungs-Problem beschrieben. Die Lösung dieses Problems stellte neue Wege bereit um Proteine für spezifische Aufgaben und mit charakteristischen Strukturen herzustellen. Schon seit geraumer Zeit werden Proteine in der Biotechnologie, chemischen Industrie oder Pharmazie eingesetzt um neue Materialien, Medikamente und Biokatalysatoren herzustellen, und zur biologischen Dekontaminierung verwendet. Der größte Vorteil dabei ist, dass für die Herstellung von Proteinen weder viel thermische Energie aufgewandt werden muss, noch eine Menge giftiger Abfall anfällt. Für moderne Anwendungen müssen Biomaterialien dieser Art sehr stabil sein. Natürlich vorkommende Proteine sind allerdings oft sehr fragil und kommen daher für solche Anwendungen nicht in Frage. In diesem Projekt werden wir eine von uns entwickelte Methode nutzen und weiterentwickeln, die es uns ermöglicht außergewöhnlich stabile Proteine mit speziellen Strukturen am Computer zu berechnen und anschließend im Labor zu untersuchen. Dazu haben wir Gleichungen, die erstmals von Francis Crick im Jahr 1953 formuliert wurden und die es erlauben helikale Proteinstrukturen akkurat zu beschreiben verwendetundmit modernsten Computersimulationenvon Proteinen kombiniert. Diese Herangehensweise ermöglicht es uns Proteine von beliebiger Größe und Gestalt zu designen - die neu erschaffenen Proteine sind stabil bei Temperaturen über 95C und unter hoch degradierenden Bedingungen, was sie zu idealen Kandidaten für die Weiterentwicklung von Biomaterialen macht. Wir werden uns die außergewöhnliche Stabilität und beliebige Form dieser neuartigen Proteine zu Nutze machen, um Proteinporen zu entwickeln und deren biochemische und biophysikalische Eigenschaften erforschen. Das Projekt fokussiert sich auf Proteingeometrien, die speziell zur Filterung von giftigen Stoffen wie z.B. Quecksilber aus Wasser oder aber auch zur Identifizierung von DNA-Sequenzen genutzt werden können.

Die Bausteine der Natur, Proteine, sind aus Aminosäurenketten aufgebaut, in der sich die individuellen Aminosäurereste zu einer spezifischen dreidimensionalen Struktur zusammenlagern. Diese spezifische Struktur von Proteinen erlaubt ihnen nahezu alle lebenswichtigen Prozesse in einer Zelle zu übernehmen. Seit den Anfängen der Proteinforschung ist klar, dass Proteine über ein enormes Potenzial verfügen, um eine Vielzahl biomedizinischer und biotechnologischer Probleme zu lösen. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass sie in großem Umfang z. B. als Arzneimittel zur Behandlung von Krankheiten oder zur Herstellung hochreiner chemischer Verbindungen eingesetzt werden. Unser Hauptinteresse gilt dem de novo Proteindesign - einem Bereich, in dem Grundsätze der Proteinbiochemie und -biophysik genutzt werden, um eine Aminosäuresequenz mit minimaler Energie zu identifizieren, die es dem Protein ermöglicht, sich genau in die gewünschte Form zu falten und die vorgesehene Funktion zu erfüllen. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass es möglich ist, genetisch kodierte, große helikale Proteinstrukturen zu entwerfen, die löslichen Proteinporen mit atomarer Genauigkeit ähneln. Dazu verwendeten wir eine Methode, die eine Reihe von parametrischen Gleichungen verwendet, welche die Geometrien helikaler Proteinstrukturen genau beschreiben. Kombiniert mit einem Algorithmus zum Aminosäuresequenzdesign erlaubt uns dies die Faltung der geplanten Proteine rechnerisch zu untersuchen. Die daraus resultierenden designten Proteine zeigten eine sehr hohe thermodynamische Stabilität, wobei ihre experimentell ermittelten Strukturen nahezu identisch mit den Designmodellen waren und die Aminosäureseitenketten zwischen den Helices nahezu perfekt miteinander interagieren. Darüber hinaus haben wir ein Tool entwickelt, das ein bekanntes Model aus dem maschinellen Lernen verwendet, um in kürzester Zeit Aminosäureaustausch-Scans über ganze Proteinsequenzen durchzuführen. Dies eröffnet Proteinbiochemikerinnen die Möglichkeit, den Aminosäuresequenzraum für individuelle Proteine in-silico zu untersuchen.