Quantenchemische Schwingungs-Exzitonmodelle für Biomoleküle

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Jacob
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277079088

Schwingungsspektroskopie kann Einblicke in die schnellen Prozesse während der Faltung von Proteinen sowie in unstrukturierten Proteinen liefern. In diesem Projekt möchten wir effiziente Rechenmethoden zur Vorhersage von Schwingungsspektren biomolekularer Systeme entwickeln, insbesondere für die Berechnung von zweidimensionalen Infrarotspektren (2D-IR) und Raman optischer Aktivität (ROA) von flexiblen Polypeptiden und Proteinen. Zu diesem Zweck schlagen wir die Entwicklung von Schwingungs-Exzitonmodellen vor, die direkt aus quantenchemischen Berechnungen an Polypeptiden und Proteinen abgeleitet werden sollen. Die Verknüpfung zwischen derartigen Berechnungen und Schwingungs-Exzitonmodellen lässt sich dabei durch die Verwendung lokalisierter Schwingungsmoden herstellen. Dieses Projekt basiert auf einer neuen Herangehensweise für die Entwicklung von Schwingungs-Exzitonmodellen, welche die folgenden neuen Ideen kombiniert:(1) Anstatt von Berechnungen für (über)-simplifizierte Modellsysteme wie N-Methyacetamid und Glycindipeptid auszugehen, werden die Parameter unserer neuartigen Schwingungs-Exzitonmodelle aus Berechnungen für ausreichend große Polypeptid-Modelle von Sekundärstrukturelementen bestimmt werden.(2) Um unsere Schwingungs-Exzitonmodelle für die Berechnung von 2D-IR-Spektren anzuwenden, werden wir die Anharmonizitäten der lokalen Moden in der Parametrisierung berücksichtigen und nicht, wie die bisherigen Modelle, empirische Parameter verwenden.(3) Während sich die bisherige Entwicklung von Schwingungs-Exzitonmodellen auf die IR- und 2D-IR-Spektroskopie konzentriert hat, schlagen wir die Entwicklung solcher Modelle auch für chirale Schwingungsspektroskopien, insbesondere für ROA-Spektroskopie, vor.(4) Wir streben die Entwicklung allgemein anwendbarer Protokolle an, die sich für beliebige molekulare Systeme aus sich wiederholenden molekularen Bausteinen anwenden lassen. Im Gegensatz dazu sind die aktuell verfügbaren Protokolle im Wesentlichen auf die Amid I-Schwingungen von Polypeptiden beschränkt.In diesem Projekt möchten wir die entwickelten Methoden anwenden, um die Strukturabhängigkeit der erweiterten Amid III-Region sowohl in der ROA- als auch in der 2D-IR-Spektroskopie zu untersuchen. Für die ROA-Spektroskopie wird es so möglich sein, vorherige Experimente zu interpretieren, während wir für die 2D-IR-Spektroskopie in die Lage versetzt werden, neue Experimente vorzuschlagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen