Strukturmodelle von Biomolekülen und biomolekularen Komplexen sind erforderlich, um grundlegende Fragen im Zusammenhang mit Physiologie und Pathophysiologie zu beantworten. Sie bilden die Grundlage für Arzneimittelentwicklung oder Eigenschaftsoptimierung im Kontext der Biotechnologie.
Allerdings stellt die flexible und dynamische Natur von Biomolekülen und biomolekularen Komplexen - für viele zelluläre Funktionen in lebenden Organismen wesentlich - experimentelle Methoden zur Bestimmung hochauflösender Strukturmodelle in Bezug auf die Zeitauflösung und die Natürlichkeit der Messbedingungen vor eine große Herausforderung.
Um ihr zu begegnen, werden fluoreszenzspektroskopische Experimente durchgeführt. Sie liefern unter Verwendung passender, fluoreszierender Farbstoffpaare (FRET-Spektroskopie), die als optische Reporter an das Protein gekoppelt werden, zwar Informationen – wie in einem Stroboskop – zu Distanzen zwischen Proteinregionen mit einer Zeitauflösung von circa 10 Milliardstel Sekunden. Die gewonnene Informationsdichte reicht jedoch nicht, um hieraus Proteinstrukturmodelle mit atomarer Auflösung zu erstellen. Daher werden zusätzlich Computersimulationen verwendet, um eine Vielzahl von Proteinstrukturmodellen auf atomarer oder grobkörniger Ebene zu generieren. Häufig bleibt dabei aber unklar, welches der generierten Modelle der Realität entspricht.
Für diese Problematik haben nun Prof. Dr. Claus Seidel (Institut für Molekulare Physikalische Chemie) und Prof. Dr. Holger Gohlke (Institut für Pharmazeutische und Medizinische Chemie) mit ihren Teams eine Lösung gefunden: Ihr neuer, quantitativ integrativer Ansatz kombiniert Fluoreszenzspektroskope und molekulare Simulationen. Nach umfangreichen Vorarbeiten ist es ihnen jetzt gelungen, ein Tool zum automatisierten Design eines optimalen und minimalen Farbstoffnetzwerks zu realisieren, neue algorithmische Ansätze zur Kombination von molekularen Simulationen und Fluoreszenz-Experimenten zu entwickeln und zum ersten Mal eine neuartige Methode zur quantitativen Beurteilung der Genauigkeit von derart modellierten Strukturen zu etablieren.
Mit diesen Forschungsmethoden können FRET-Experimente nun sehr effizient geplant und Strukturmodelle von Proteinen mit multiplen, kurzlebigen strukturellen Zuständen mit nahezu atomarer Auflösung erstellt werden, die für das Enzym Lysozym des Bakteriophagen T4 in der weltweiten Proteindatenbank (PDB-dev ID: PDBDEV_00000044) abrufbar sind. Die Ansätze stehen als Open Source-Software und webbasiert zur Verfügung. Die fluoreszenzspektroskopischen Experimente sind höchst empfindlich und können unter natürlichen Bedingungen (in Lösung oder in Zellen) angewendet werden.
Kontakt:
Prof. Dr. Holger Gohlke, Institut für Pharmazeutische und Medizinische Chemie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, gohlke@hhu.de
Prof. Dr. Claus Seidel, Institut für Molekulare Physikalische Chemie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf,
Publikation:
Dimura, M., Peulen, T.O., Sanabria, H., Rodnin, D., Hemmen, K., Seidel, C.A.M.*, Gohlke, H.*, Automated and optimally FRET-assisted structural modeling. Nature Comm. 2020, 11, 5394.
