TP2 Engineering von biologischen Poren

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Teilprojekt 2

Engineering von biologischen Poren

Im Teilprojekt 2 werden Proteine mittels gentechnischer Verfahren und Proteinengineering so verändert, dass sie neue Sensor- und Schalteigenschaften aufweisen. Ein Austausch zwischen den beiden Teilbereichen soll dazu führen, dass biologische Poren stabil in Festkörperporen integriert werden und/oder dass Proteinkomponenten zum Schalten oder Sensieren in Festkörperporen verwendet werden können.

Teilprojekt 2.1

Kleine Ionenkanäle mit neuen Schalteigenschaften als selektive Poren in Festkörperfolien

Projektleiter: Gerhard Thiel

Der viralen Kaliumkanals KcvNTS
Der viralen Kaliumkanals KcvNTS. Die vier Untereinheiten des Tetramers sind blau und gelb gefärbt. Die typischen Merkmale von viralen Kaliumkanälen, wie z.B. die Poren- und Filterregion sowie die äußere Transmembrandomäne (TMD1) und die innere Transmembrandomäne (TMD2) der zwei gegenüberliegende Untereinheiten sind rechts aufgezeigt.

Die AG Thiel (Biologie) arbeitet an sehr kleinen und extrem robusten biologischen Poren (Ionenkanälen), die sich als ideale Bausteine für Nanosensoren anbieten. Ihre besondere Eignung beruht auf ihrer hohen Hitzeresistenz, ihrer hohen Ionenleitfähigkeit, ihrer genetischen Manipulierbarkeit und ihrem sehr einfachen Aufbau. Diese robusten Kanalproteine sollen in miniaturisierte Membran-Bilayer, die über Nanoporen in Polymeren gespannt werden, integriert und auf ihre Stabilität getestet werden. Mittels Protein-Engineering sollen diese Kanalproteine mit neuen Schalt- und Sensoreigenschaften ausgestattet werden. Als Fernziel sollen damit schaltbare Elemente geschaffen werden, die in technischen Mikro-Devices zur Analytik von medizinisch relevanten Molekülen verwendet werden können.

Teilprojekt 2.2

Kopplung von modifizierten Bindeproteinen an biologische und künstliche Nanoporen

Projektleiter: Bodo Laube

Die AG Laube (Biologie) untersucht die Fähigkeit von Bindeproteinen einzelne Analyt-Moleküle spezifisch zu erkennen (extreme Selektivität) und ihre verstärkende Wirkung (hohe Sensitivität). Bindeproteine repräsentieren eine riesige Protein-Superfamilie von bakteriellen Rezeptorproteinen, die die selektive Bindung von Liganden wie Kohlenhydrate, Aminosäuren, Peptiden, Anionen, Schwermetallkationen etc. bedingen und in idealer Weise alle Anforderungen an einen Biosensor erfüllen. Die bemerkenswerte evolutionäre Anpassungsfähigkeit und die funktionelle Verknüpfung dieser Superfamilie in eine Vielzahl biologischer Rezeptoren ist wahrscheinlich auf die Positionierung der Bindungsstelle an der Schnittstelle zwischen zwei Domänen und der resultierenden Liganden-vermittelten Konformationsänderung zurück zu führen. Dies ermöglichte evolutiv die vielfältige funktionelle Verknüpfung der Bindeproteine an andere Proteindomänen durch konformative Kopplung. So findet sich dieses Struktur-Funktionsprinzip der Bindeproteine in herausragender Weise in eukaryontischen Proteinen als selektiver Sensor für komplexe Moleküle und bei der Informationsverarbeitung neuronaler Systeme wieder. Die Vielfalt der Ligandenbindungseigenschaften und die funktionelle Anpassungsfähigkeit der Superfamilie sollen ausgenutzt werden, um durch Computational Design und die Kopplung an biologische und künstliche Nanoporen gezielt Biosensoren mit neuen Eigenschaften im medizinisch/pharmazeutischen Bereich und in der Umweltanalytik zu generieren.

Generierung von spezifischen Bindeproteinen (BP) und Rezeptoren für den Einsatz in Medizin und Umweltanalytik mit anschließender Kopplung an biologische und artifizielle Nanoporen. a) Gezielte Modifikation der Bindungsspezifitäten von BP und Liganden Bindedomänen (LBD) durch computergestütztes Design. b) Kopplung von BP an biologische Nanoporen: Änderung der Bindungsspezifität ionotroper Glutamatrezeptoren (iGluR) durch Substitution der LBD durch natürlich vorkommende BP. Direkte Kopplung von c) Rezeptoren und d) BP an artifizielle Nanoporen. e) Insertion von Rezeptoren in Lipid-Nanodiscs als „natürliche Membranumgebung“ mit anschließender Kopplung an artifizielle Nanoporen.
Generierung von spezifischen Bindeproteinen (BP) und Rezeptoren für den Einsatz in Medizin und Umweltanalytik mit anschließender Kopplung an biologische und artifizielle Nanoporen. a) Gezielte Modifikation der Bindungsspezifitäten von BP und Liganden Bindedomänen (LBD) durch computergestütztes Design. b) Kopplung von BP an biologische Nanoporen: Änderung der Bindungsspezifität ionotroper Glutamatrezeptoren (iGluR) durch Substitution der LBD durch natürlich vorkommende BP. Direkte Kopplung von c) Rezeptoren und d) BP an artifizielle Nanoporen. e) Insertion von Rezeptoren in Lipid-Nanodiscs als „natürliche Membranumgebung“ mit anschließender Kopplung an artifizielle Nanoporen.

Teilprojekt 2.3

In Silico Design und Optimierung von Komposit-Ionenkanälen

Projektleiter: Kay Hamacher

(a) Beispiel für Korrelate
zwischen mechanischer Funktion und
evolutionären Signaturen von Coevolution (b) Identifikation funktionsrelevanter
Interaktionen zwischen Transmembrandomänen
in einem viralen Kcv-Kanal mittels
coarse-grained Molekularmodellen
(a) Beispiel für Korrelate zwischen mechanischer Funktion und evolutionären Signaturen von Coevolution (b) Identifikation funktionsrelevanter Interaktionen zwischen Transmembrandomänen in einem viralen Kcv-Kanal mittels coarse-grained Molekularmodellen

Komplementär dazu arbeitet die AG Hamacher (Biologie) auf der großskaligen Analyse der Struktur-Funktions-Beziehung in Proteinen und ihren Komplexen. Hierzu werden coarse-graining Modelle, insbesondere elastische Netzwerkmodelle, eingesetzt. Damit werden systematische Untersuchungen der dynamisch-funktionale Auswirkungen von Mutationen auf Ionenkanälen durchgeführt. Die kleinen, viralen Ionenkanäle, die in der AG Thiel analysiert werden, eignen sich sehr gut als Ausgangsbasis für das gerichtete, ingenieur-orientierte Design von neuen Funktionen und Schalteigenschaften in Ionenkanälen. Allerdings können bei der Fusion von bisher nicht zusammenarbeitenden Domänen unerwünschte Effekte die Funktion reduzieren oder gar verhindern. Die Aufklärung der mechanistischen Vorgänge ist dabei ein wichtiger Schritt zum Ableiten rationaler Regeln für das zielgerichtete Design von neuen Elementen.

Nachwuchsgruppen-Projekt 2.4

Chemische Synthese von schaltbaren protein-basierten Nanoporen

Projektleiterin: Alesia Tietze

Funktionelle Pore in Polymer-basiertem Gerüst
Funktionelle Pore in Polymer-basiertem Gerüst

Das Ziel des der Nachwuchsgruppe von Alesia Tietze (Chemie) ist die chemische Synthese von schaltbaren (pH, Ionenselektivität, Ligandenbindung), Protein-basierten Nanoporen nach dem Vorbild biologischer Ionenkanäle und Poren-bildender, helikaler Strukturen. Die Fmoc-basierte Festphasen-Peptidsynthese solcher Poren-bildender Membranproteine wird mit Hilfe neuer, in unserer Arbeitsgruppe entwickelten Methoden, realisiert. Für die Einbettung solcher Strukturen als funktionelle Poren in Polymer-basierte Gerüste ist eine chemische Modifizierung der Polymer-zugewandten Aminosäuren notwendig.

Nachwuchsgruppen-Projekt 2.5

Protein Engineering von ionenleitenden Nanoporen

Projektleiter: Viktor Stein

Der Transport von Ionen durch die Zellmembran wird mithilfe hocheffizienter und selektiver Proteinkanäle ermöglicht. In vielen Fällen ist ihr Wirkmechanismus gut verstanden. Dennoch bleibt die Nutzung ihrer vielen nützlichen Eigenschaften für biotechnologische Anwendungen weitgehend unerforscht. Ziel der AG Stein ist natürlich vorkommende proteinbasierte Ionenkanäle zu modifizieren und in hochspezifische Biosensoren umzuwandeln um biotechnologisch und biomedizinisch relevante Moleküle zu detektieren. Ionenkanäle mit maßgeschneiderten Sensoreigenschaften werden mittels strukturbasiertem Protein Engineering und Hochdurchsatz Screening Verfahren konstruiert. Diese werden anschlieβend biophysikalisch charakterisiert um die molekulare Basis ihrer Schalt- und Sensorfunktionen zu verstehen.