Self-Assembly und Kristallisation von Proteinen

Self-assembly - die spontane und reversible Bildung von geordneten Strukturen und Mustern ohne äußere Einwirkung - ist das Prinzip, das der Strukturbildung in biologischen Systemen zugrunde liegt. Die Strukturen, die durch Selbstorganisation in der Natur entstehen, sind sehr vielfältig und reichen von Viruskapsiden, die sich spontan aus ihren Proteinbausteinen bilden, über die tertiäre Struktur von Proteinen, die sich aus der Proteinfaltung ergibt, bis hin zu den genannten S-Schicht Proteinen, die mittels Self-assembly zweidimensionale kristalline Hüllen von prokaryotischen Organismen bilden. In den Materialwissenschaften wird Self-assembly ausgenutzt um funktionale Nanostrukturen zu bilden, die für technische Anwendungen wesentlich sind. Diese neue Art von Materialien entsteht durch Self-assembly aus Bausteinen, deren Eigenschaften und Strukturen die Eigenschaften der Zielstruktur festlegen. Allerdings ist unser Verständnis, welche Wechselwirkungen der Bausteine zu welchen Zielstrukturen führen, noch sehr unvollständig. Ziel des Projektes ist es mit Hilfe von theoretischen Methoden und Computersimulationen den physikalischen Mechanismus zu untersuchen, der die verschiedenen Zielstrukturen festlegt und den Übergang zwischen den Strukturen bestimmt. Einfache Modelle - so genannte "patchy models", in denen die Bausteine über lokalisierte und räumlich gerichtete Kräfte wechselwirken, werden in diesem Projekt verwendet. Diese Modelle wurden in zahlreichen Untersuchungen von molekularen und kolloidalen Systemen angewandt, und in diesem Projekt wird unter anderem ein solches Modell für S-Schicht Proteine entwickelt, die verschiedene zweidimensionale kristalline Strukturen bilden. Während sich der erste Teil des Projektes der Untersuchung der strukturellen Eigenschaften von Systemen widmet, die durch Self-assembly entstehen, wird sich der zweite Teil mit den kinetischen Eigenschaften des Self-assembly Vorganges beschäftigen: Wie geht der Selbstorganisationsprozess vor sich? Welche Zwischenstrukturen werden gebildet? Insbesondere werde ich auf mikroskopischem Niveau das Phänomen der Proteinnukleation untersuchen, bei dem sich ein Proteinkristall aus einer metastabilen unterkühlten flüssigen Phase bildet. Um die unterschiedlichen Zeitskalen zu überbrücken, die typischerweise in Computersimulationen von aktivierten Prozessen auftreten, werde ich mit einer speziellen Simulationsmethode arbeiten, die im Raum der Trajektorien verläuft und für die Simulation von seltenen Ereignissen in komplexen Systemen entwickelt wurde. Diese Simulationsmethode hat auch den Vorteil, dass im Gegensatz zu konventionellen Methoden die Reaktionskoordinate, die den Fortschritt des Prozesses beschreibt, nicht a priori bekannt sein muss. Analyse des Übergangszustands wird Einblick in den strukturellen Organisationsprozess liefern. Den Mechanismus der Selbstorganisation und Kristallisation von Proteinen zu verstehen, ist nicht nur von akademischem Interesse sondern auch von technologischer Relevanz. Die Anwendungen sind vielfältig und reichen von photonischen Bauteilen, mikroelektronischen Systemen und Sensoren bis hin in den medizinischen Bereich, wo Selbstorganisation bei der Medikamentenentwicklung und für die Entwicklung von zielgerichteten Transportmitteln von Medikamenten eingesetzt wird.

Ziel des Projektes war es, den Mechanismus von Self-assembly der spontanen und reversiblen Bildung von geordneten Strukturen und Mustern ohne äußere Einwirkung zu untersuchen. Die Strukturen, die durch Selbstorganisation in der Natur entstehen, sind sehr vielfältig und wir haben verschiedenste Formen von Self-Assembly mit diversen Methoden der statistischen Mechanik untersucht.Bereits die Bildung einer thermodynamischen Phase, wie z.B. eines Kristalls oder einer Flüssigkeit kann als self-assemly angesehen werden und diesem self-assembly Mechanismus widmete sich der erste Teil des Projekts. Wir untersuchten die Phasenübergänge von Makromolekülen, wie z.B. Proteinen oder Kolloiden, die sowohl für theoretische Methoden als auch für Computersimulationen eine große Herausforderung darstellen, da die Reichweite der Wechselwirkung zwischen den Molekülen klein ist im Vergleich zu ihrer Größe. Eine genaue Vorhersage des Phasendiagramms und des kritischen Punktes ist daher extrem schwierig. Es ist uns allerdings gelungen mit einer theoretischen Methode sehr genaue Vorhersagen für einfache Modellsysteme zu treffen. Die Resultate haben bestätigt, dass bei extrem kurzreichweitigen Wechselwirkungen die makroskopischen Eigenschaften nicht von der genauen Form der Wechselwirkung abhängen, sondern im Wesentlichen nur von einem Parameter abhängen, der die Reichweite der Wechselwirkung quantifiziert. Im zweiten Teil des Projektes haben wir uns mit Hilfe von Computersimulationen mit dem Mechanismus des Self-assembly von Lipiden zu sogenannten Liposomen beschäftigt. Diese Liposome spielen heute eine wesentliche Rolle als Medikamententransporter. Es handelt sich dabei um kugelförmige Lipiddoppelschichten, die einen wässrigen Kern umhüllen. Dieses System hat den großen Vorteil, dass es sowohl hydrophobe Substanzen in der Lipidschichte, bzw. hydrophile Substanzen im wässrigen Kern transportieren kann. In Computersimulationen haben wir ausgehend von einer Anordnung von Lipiden in wässriger Lösung die Bildung von Mizellen, das sind Lipidklümpchen, die keinen wässrigen Kern enthalten, sowie von Lipsomen gesehen. Es zeigte sich, dass die Endkonfiguration stark von der Anfangskonfiguration und insbesondere der Wasserkonzentration abhängt. Im speziellen ist es uns auch gelungen die Bildung eines Lipsomes bestehend aus zwei wässrigen Kernen, die durch eine Lipidzwischenwand voneinander getrennt sind, zu beobachten..