Die Farbübergänge in Bilin-Photorezeptoren

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Matysik; Professor Dr. Daniel Sebastiani
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Analytische Chemie ; Biochemie ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Biophysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282144690

Photorezeptoren mit offenkettigen Tetrapyrrolen (Biline) bilden eine große Klasse von lichtabhängigen Schalterproteinen, wie z.B. die gut untersuchten Phytochrome. Die paradigmatischen Phytochrome führen eine photochemische Isomerisierung der Doppelbindung und einen damit verbundenen mesoskopischen weich-hart Phasenübergang aus, der zu einem Farbübergang von rot zu dunkelrot führt. Die Entdeckung der Cyanobacteriochrome (CBCRs), in einigen Studien auch Cyanochrome oder GAF-Proteine genannt, durch Ohmori und Ikeuchi im Jahr 2001 führte zu einem Paradigmenwechsel in der Photophysik und Photochemie von Bilin-Photorezeptoren. Plötzlich wurde deutlich, dass die klassischen Photorezeptoren, die Phytochrome, nur einen Sonderfall in einer bemerkenswert großen Landschaft darstellen und dass viele Parameter in der Photochemie der Biline noch nicht verstanden sind. So ist, trotz vieler experimenteller Studien, die Ursache der Farbänderung in Phytochromen ebenfalls noch unklar. Hier versuchen wir, eine gemeinsame Sicht auf die Physik und Chemie der Farbe von Bilin-Photorezeptoren zu erhalten. Zu diesem Ziel kombinieren wir experimentelle Absorptions- und NMR-Spektroskopie mit theoretischen QM/MM-Simulationen. Wir wollen die Faktoren, die die Farbübergänge in Bilin-Proteinen steuern, bestimmen. Basierend auf den Röntgenstrukturen und NMR-Daten werden wir zunächst die Orbital-Architektur der Pr-Zustände von kanonischem Cph1-Phytochrom sowie von dem Cyanobacteriochrom AnPixJg2 rekonstruieren. Anschliessend werden wir Struktur und Orbitalarchitektur der beiden Photoprodukte Pfr (fernrot-absorbierend) und Pg (grün-absorbierend) rekonstruieren. Wir erwarten, dass wir aus dem Vergleich der Pfr- und Pg-Zustände ein Konzept zum Verständnis der Farbe entwickeln können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen