Molekulare Mechanismen hinter der Protein-Halotoleranz

• Antragstellerin: Dr. Ana Vila Verde
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382674566

Halophile Mikroorganismen haben die außergewöhnliche Eigenschaft unter Bedingungen zu leben, die für andere Organismen tödlich sind: Sie leben in Salinen mit NaCl-Konzentrationen bis 4 M. Um den hohen osmotischen Druck zu vermeiden, unter den die Mikroorganismen platzen würden, speichern viele Halophile KCl in ihrem Zytoplasma, in Konzentrationen die äqui-osmolar zur stark salzigen Umgebung sind. Halophile Proteine haben mit ihrer außergewöhnlichen Fähigkeit, in hohen Salzkonzentrationen zu überleben, ein enormes Potential für die Biotechnologie: sie sind unerlässlich für Geräte, die im Meerwasser funktionieren, z. B. für die Wasserstoffproduktion mit Hilfe der Hydrogenase oder für Kohlenstoffabscheidung mit Hilfe der Carboanhydrase ohne Frischwasservorräte anzugreifen. Um das Potential der halophilen Protein nutzbar zu machen ist es notwendig, die Mechanismen hinter der Halophilizität zu verstehen - und diese Mechanismen verstehen zu lernen ist Thema unseres Antrags.Die Fähigkeit von Proteinen in hohen Salzkonzentrationen zu funktionieren, korreliert mit ihrem hohen Gehalt an negativ geladenen Aminosäuren, und einem niedrigen Gehalt an Aminosäuren mit großen hydrophoben Gruppen. Dieser Antrag konzentriert sich auf die am wenigsten verstandene und am meisten diskutierte Frage: Welche Rolle spielen die negativ geladenen Aminosäuren? Ich möchte diese Fragestellung mit Moleküldynamik-Simulationen und atomistischen Modellen untersuchen. Durch den Vergleich von halophilen Proteinen mit ihren nicht-halophilen Gegenstücken bei unterschiedlichen NaCl Konzentrationen und, bei kleineren Proteinen, die Darstellung ihrer gefalteten und ungefalteten Zustände, werde ich untersuchen, wie negativ geladene Aminosäuren die Halophilizität der Proteine beeinflussen. Außerdem kann ich auf diesem Weg den Beitrag dieser Mechanismen an der Proteinstabilität quantifizieren. Ich werde besonders die Hydrogenasen und Carboanhydrasen untersuchen, die von besonderem Interesse für die biotechnologische Anwendung sind. Dazu werde ich aktuelle Algorithmen und Hardware-Entwicklungen nutzen, die Mikrosekunden lange Simulationen im mikrosekunden-Bereich ermöglichen und mir die Möglichkeit geben, die gefalteten und ungefalteten Zustände zu untersuchen. Die Bedeutung dieses Antrags liegt in der Klärung der molekularen Mechanismen, die grundlegend für unser Verständnis der Proteinstabilität sind und entscheidend für die Entwicklung künstlicher Enzyme und biomolekularer Anwendungen unter hoch salzigen Bedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen