Atomare Details des Substrat-Transports in einem ABC Exporter

• Antragsteller: Professor Dr. Lars Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423518358

ABC Exporter (von ATP-binding cassette) sind ATP-getriebene molekulare Maschinen, die ein breites Spektrum an Substraten über Zellmembranen transportieren. Ihr Funktionsmechanismus basiert auf der chemomechanischen Kopplung von ATP Bindung und Hydrolyse in den Nukleotidbindedomänen mit großräumigen Konformationsänderungen der Transmembrandomänen, die den Kanal für das Substratmolekül bilden. Obwohl Substrattransport die biologische Schlüsselfunktion von ABC Transportern ist, bleibt der zugrundeliegende Mechanismus weitestgehend unverstanden. Dieser Widerspruch ist teilweise auf die Herausforderungen zurückzuführen, den intrinsisch dynamischen Transportprozess, der eine enge Kopplung von Konformationsänderungen des Transporterproteins und der Position des Substrates umfasst, in atomarem Detail zu charakterisieren. Zwei offene Fragen stehen hierbei im Vordergrund: (i) Die Konformationszustände, die bei einem Transportzyklus durchlaufen werden, und wie diese Konformationen mit der eigentlichen Substrattranskolation in Verbindung stehen, und (ii) die Profile der freien Energie, und wie sich diese für den substratbeladenen und -unbeladenen Transporter unterscheiden.Das vorgeschlagene Projekt hat daher das Ziel, die Konformationsdynamik und Energetik der Substrattranslokation in einem ABC Exporter durch atomistische Molekulardynamik (MD) Computersimulationen zu charakterisieren. Der heterodimere ABC Exporter TM287/288, ein bakterielles Homolog von Pgp (permeability glycoprotein), dient als Modellsystem. Im ersten Schritt werden die Bindung des Transportsubstrats Verapamil und die damit einhergehenden Konformationsänderungen in TM287/288 mit MD Simulationen auf der multi-Mikrosekunden Zeitskala charakterisiert. Im zweiten Schritt werden Metadynamik-Simulationen durchgeführt, um die Landschaften der freien Energie, projiziert auf einige (wenige) Reaktionskoordinaten, zu erhalten. Dieses Projekt, welches auf Vorarbeiten aufbaut in denen wir MD Simulationen mit EPR Spektroskopie von TM287/288 in Abwesenheit von Substrat kombiniert haben, soll den Pfad offenbaren den das Verapamil durch den Transporter nimmt und die zugrundeliegenden molekularen Triebkräfte und mechanischen Kopplungen aufdecken. Durch den Vergleich der Profile der freien Energie mit und ohne Substrat soll die experimentell beobachtete substratinduzierte Erhöhung der Aktivität auf molekularem Niveau verstanden werden. Außerdem soll die offene Frage beantwortet werden, warum die Wiederaufnahme von Substrat (d.h. die Umkehr des Transportprozesses) nicht beobachtet wird. In Anbetracht der schnell wachsenden Anzahl von mittels Röntgenkristallographie und Kryoelektronenmikroskopie erhaltenen Strukturen ist das Ziel dieses Projektes, die fehlenden atomaren Einsichten in die strukturelle Dynamik und freien Energien zu liefern, die schlussendlich nötig sind, um die Funktion von ABC Transportern zu verstehen und gegebenenfalls gezielt zu modifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen