Fundamentale Mechanismen und anwendungsbezogene Aspekte des proteinvermittelten Carotinoid-Transports

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429542475

Die über 700 in der Natur vorkommenden Carotenoide werden facettenreich als Farbstoffe, als energiesammelnde und dissipierende Pigmente in der Photosynthese, als Lichtschutzfaktoren oder Antioxidantien eingesetzt. Als essentielle Nahrungsbestandteile bilden sie die Vorstufen für Vitamine, Sehpigmente und Hormone. Aufgrund ihrer hydrophoben Natur lagern sie sich in Lipidvesikeln und Membranen ein, doch trotz ihrer vielseitigen Funktionen sind nur wenige carotenoid-spezifische Proteine bekannt, die Carotenoide in wässrigen Lösungen mobilisieren können, um sie zwischen Membrankompartimenten oder Zellen im Organismus zu transportieren. Ein Besipiel hierfür ist das 35-kDa große, photoschaltbare Orange Carotenoid Protein (OCP), das eine wichtige Rolle beim Schutz von Cyanobakterien gegen intensive Lichtstrahlung spielt. Unter Belichtung durchläuft OCP eine Photokonversion vom orangenen Grund- in den roten Signalzustand, letzterer löscht die Fluoreszenz der Phycobilisom-Antennenproteine und verhindert so Strahlungsschäden an den empfindlichen Photosystemen.In unseren Vorstudien an einer Reihe von OCP-Varianten konnten wir zeigen, dass Carotenoide zwischen den isolierten C- und N-terminalen Domänen (CTD, NTD) von OCP transferiert werden können. Biochemische und spektroskopische Daten belegten, dass dieser einzigartige Prozess über mehrere Zwischenstufen verläuft. Dies ist vor dem Hintergrund bedeutsam, dass viele cyanobakteriellen Genome Gene für Homologe der NTD und der CTD von OCP enthalten, deren Funktion noch unbekannt ist. Später wurde deutlich, dass der beobachtete Carotenoidtransfer direkt in den beschriebenen Schutzmechanismus eingreift, denn Homologe der OCP-CTD (CTDH-Proteine) sind in der Lage, Carotenoide aus Membranen zu extrahieren und diese an Homologe der NTD (HCP-Proteine) zu übertragen, wobei letztere als konstitutive Löscher der PBs-Fluoreszenz fungieren können. Die Vielzahl bereits identifizierter CTDH- und HCP-Proteine aus mikrobiellen Genomen und die Tatsache, dass die CTDH-Proteine strukturell zu der großen Klasse von NTF-2-Domänen Proteine (nuclear transport factor 2), von denen einzelne Vertreter ebenfalls spezifisch Carotinoide binden (z.B. das luteinbindende StARD3-Protein aus der Retina von Primaten) ermöglicht die Aufklärung der bestimmenden strukturellen und molekularen Eigenschaften carotenoid-transportierender Proteine. In diesem Projekt sollen die universellen Prinzipien für die spezifische Carotenoidbindung und den proteinvermittelten Carotenoidtransport im Detail untersucht werden. Hierzu wird ein umfassender, interdisziplinärer Ansatz aus biochemischen, spektroskopischen und strukturbiologischen Verfahren gewählt, um die biophysikalischen Prinzipien des proteinvermittelten Carotenoidtransports in molekularem Detail aufzuklären und das erarbeitete Wissen biotechnologisch zur Entwicklung von Systemen für den gezielten Transport von Antioxidatien in Organismen oder Zellen umzusetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Nikolai N. Sluchanko, Ph.D., bis 3/2022