Strukturelle Grundlagen der Signalweiterleitung in der Phototaxis von Archaeen

• Antragsteller: Professor Dr. Valentin Gordeliy; Dr. Johann P. Klare
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430170559

Membran-integrale Sensor-Proteine sind die Schlüsselkomponenten der Kommunikation eines jeden Organismus mit seiner Umwelt und TKS sind am häufigsten vorkommenden sensorischen Systeme in Bakterien, Archaeen und Pflanzen. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist es, die strukturellen Grundlagen der Signalweiterleitung in der archaeellen Phototaxis und den Mechanismus der transmembranen Signaltransduktion aufzuklären. Zu diesem Zweck sollen die Strukturen des Photorezeptors Sensorisches Rhodopsin II mit seinem Signal-Transducer Htr aus Natronomonas pharaonis (NpSRII/NpHtrII) im Ruhe- als auch im angeregten Zustand bestimmt werden als auch kinetische und dynamische Parameter analysiert werden. Das phototaktische NpSRII/NpHtrII System ist ein exzellentes Modellsystem für die sogenannten 2-Komponenten-Systeme (TKS). Im Besonderen werden TKS sehr häufig von pathogenen Mikroorganismen verwendet, um Abwehrmechanismen zu überwinden und im Wirtsorganismus zu überleben. Daher kann die Aufklärung der den TKS zugrundeliegenden Signalweiterleitungsmechanismen zur Entwicklung neuer Antibiotika beitragen.Die an diesem Projekt beteiligten Labore verfügen über eine umfangreiche Expertise für die Arbeit an Zwei-Komponenten-Systemen, im Besonderen durch Arbeiten am Sensorischen Rhodopsin/Transducer-Komplex und an Membranproteinen im Allgemeinen. Die Arbeitsgruppe Gordeliy verfügt über langjährige Erfahrung in der Herstellung, Kristallisation und anschließenden Strukturbestimmung von Membranproteinen. Die Arbeitsgruppe Klare verfügt ebenfalls über entsprechende Erfahrungen in der Herstellung und Mutagenese von Membranproteinen für ortspezifische Markierung, kombiniert mit Rechner-gestützten Ansätzen zur Aufklärung der Struktur, Konformationsdynamik und Funktion von Proteinen und Protein-Komplexen (Klose et al., 2012). Die kürzlich am MIPT etablierte und von dem Nachwuchsgruppenleiter Ivan Gushchin geleitete Gruppe schließlich verfügt mit Ihm über große Erfahrung auf dem Gebiet der Strukturbiologie, einschließlich der Kristallisation und Strukturbestimmung von Membranproteinen und Rechner-gestützten Techniken.Das Projekt zielt auf die Bestimmung der Strukturen des NpSRII/NpHtrII Protein-Komplexes und seiner einzelnen Bestandteile. Diese Strukturen werden zum Verständnis der Signalweiterleitung auf atomarer Ebene beitragen. Zusätzlich zur Röntgenkistallstrukturanalyse und Cryo-EM-Experimenten können Kleinwinkelstreu-Experimente großräumige Konformationsänderungen sichtbar machen und Modellierungsansätze unterstützen. Alle Strukturmodelle werden über einen Mutagenese-Ansatz validiert, über den die physiologischen Eigenschaften der Proteine zum Beispiel über Photozyklus- oder zeitaufgelöste EPR-Messungen analysiert werden.Es gibt bereits weitreichende Vorarbeiten für das Projekt, welche die Machbarkeit der vorgeschlagenen Experimente aufzeigen. Schlussendlich können diese Untersuchungen zur Entwicklung neuartiger Antibiotika beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Ivan Gushchin, bis 3/2022