Protein-Nukleinsäure-Erkennung untersucht durch Festkörper-Kernresonanzspektroskopie bei schnellen Rotationen um den magischen Winkel

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Wiegand
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455240421

Protein-Nukleinsäure-Wechselwirkungen sind an einer Vielzahl von biologischen Prozessen beteiligt, welche von der Replikation von genomischer DNA bis zur Synthese von Proteinen reichen. Nichtkovalente Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken, Dispersions- und elektrostatische Wechselwirkungen sind für die molekulare Erkennung von Nukleinsäuren durch Proteine verantwortlich. Dieses Projekt fokussiert sich auf die Detektion solcher schwachen chemischen Wechselwirkungen in nicht-kristallinen Protein-Nukleinsäure-Komplexen. Im Rahmen des Projektes sollen Festkörper-Kernresonanzspektroskopie (NMR)-Methoden (der „NONCOV“ Ansatz) entwickelt und implementiert werden, um solche Effekte zu untersuchen mit dem besonderen Fokus auf Protonen, die im Mittelpunkt von Protein-Nukleinsäure-Kontakten stehen. Protonen-NMR-Observablen fungieren als empfindliche Sonden für die Beteiligung von Protonen an solchen Interaktionen. Deren Messung wird durch Experimente bei schnellen Rotationsfrequenzen um den magischen Winkel (Magic-Angle Spinning) erzielt, wozu MAS-Frequenzen von mehr als 100 kHz verwendet werden sollen. Dies erlaubt eine ausreichende Reduzierung der Protonen-NMR-Linienbreiten. In Kombination mit experimentellen Daten sollen quantenchemische Rechnungen von NMR-Observablen an Protein-Nukleinsäure-Fragmenten durchgeführt werden, um ein tieferes theoretisches Verständnis für die Antworten von NMR-Observablen auf die Stärke der jeweiligen nichtkovalenten Wechselwirkung zu entwickeln. Das finale Ziel von NONCOV ist es, das Binden von Nukleinsäuren an große Proteinkonstrukte zu modellieren. Hierzu sollen Wasserstoffbrücken zwischen dem Protein und den Phosphatgruppen von RNA/DNA durch Protonen-detektierte 1H,31P Korrelationsexperimente identifiziert werden. Neben Restraints basierend auf direkten Antworten von NMR-Observablen (z.B. chemischen Verschiebungen oder J-Kopplungskonstanten) auf Protein-RNA/DNA-Bindung, sollen Abstandsrestraints aus paramagnetischen NMR-Experimenten extrahiert werden, die durch die Anbringung von paramagnetischen Spinsonden an die Nukleinsäure und Analyse der paramagnetischen Relaxationsbeschleunigungen in den NMR-Spektren ermittelt werden sollen. Dies wird uns zusätzlich ermöglichen, Abstände aus Elektronenspinresonanzexperimenten zu bestimmen, zum Beispiel zwischen einer Spinsonde an der DNA und einer weiteren an dem Protein. Der NONCOV-Ansatz wird an einer bakteriellen DnaB-Helikase von Helicobacter pylori etabliert, die an der Entwindung von doppelsträngiger DNA in der DNA-Replikation beteiligt ist. Dies wird uns weitere Einblicke in konformationelle und dynamische Änderungen während des Bindens von DNA und der Translokation in solchen ringförmigen Helikasen liefern. Der NONCOV-Ansatz ist auf weitere biologische und chemische Fragestellungen übertragbar in denen nichtkovalente Wechselwirkungen von Relevanz sind, beispielsweise in Phasenseparationsphenomänen oder in der supramolekularen Chemie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: 0.7mm Festkörper-NMR-Probenkopf
• Gerätegruppe: 1741 Festkörper-NMR-Spektrometer