Aufklärung irreversibler Reaktionen von Lichtrezeptoren und Enzymen durch die Kombination aus einem Infrarot-Quantenkaskadenlaser und einem Flusszellensystem

• Antragsteller: Professor Dr. Tilman Kottke
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317120756

Zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie an Proteinen in H2O mit einer höheren Auflösung als eine Millisekunde ist gegenwärtig eine Herausforderung, da dafür sehr große Probenmengen oder hocheffiziente Reaktionen Voraussetzung sind. In diesem Projekt soll ein Quantenkaskadenlaser als moderne Lichtquelle mit hoher Intensität und breiter Durchstimmbarkeit eingesetzt werden, um Zeitverläufe von Reaktionen bei einzelnen Wellenzahlen zu verfolgen. Die Fokussierbarkeit des Lasers auf eine kleine Fläche in der Kombination mit einem in unserem Labor etablierten Flusszellensystem für H2O wird es uns ermöglichen, irreversible Photoreaktionen in Proteinen mit niedriger Ausbeute und bei geringem Probenverbrauch zu untersuchen. Die Leistungsfähigkeit des neuartigen Ansatzes soll durch einen direkten Vergleich mit der Step-Scan-Spektroskopie eingehend charakterisiert werden. Die Grenzen der Zeitauflösung und der Rauschamplitude des Aufbaus sollen anhand der Modellreaktionen von Bakteriorhodopsin und freiem Flavin erzielt werden. Der Aufbau soll eingesetzt werden, um die Mechanismen von zwei Cryptochrom-Lichtrezeptoren und einem homologen DNA-Reparaturenzym, der (6-4) Photolyase, aufzuklären. Cryptochrome steuern das Pflanzenwachstum, bestimmen den Tagesrhythmus von Pflanzen und Insekten und fungieren als Magnetorezeptoren. Wir werden die strukturelle Antwort eines Pflanzencryptochroms auf blaues Licht unter Einfluss von ATP untersuchen. Im direkten Vergleich dazu soll das erst kürzlich gefundene tierähnliche Cryptochrom aCRY in Hinsicht auf dessen ungewöhnliche Reaktion auf rotes Licht hin charakterisiert werden. Schließlich soll die Reparaturaktivität des aCRY für (6-4)-Schäden in DNA genutzt werden, um die späten Schritte im Reparaturmechanismus aufzuklären. Diesen Reaktionen in homologen Flavoproteinen in drei verschiedenen Oxidationszuständen ist gemeinsam, dass sie irreversibel und ineffizient verlaufen und daher bisher nicht durch zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie untersucht wurden. Diese umfassende Studie wird unser Verständnis der Signalwege der Cryptochrome und Reparaturmechanismen der (6-4) Photolyasen signifikant verbessern. Insbesondere wird die Signalweiterleitung in verschiedenen Cryptochromen evaluiert werden in Hinsicht auf die Rolle der Bildung von Ladungen als Ursprung von Konformationsänderungen im Gegensatz zu dem Modell einer starren Redoxkaskade.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Quantenkaskadenlaser
• Gerätegruppe: 5730 Spezielle Laser und -Stabilisierungsgeräte (Frequenz, Mode)