Schwefel-Aromaten Wechselwirkung in Biomolekülen: Strukturuntersuchungen und Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Horst Meißner; Dr. Lucas Schwob
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529997859

Jüngste bioinformatische Untersuchungen von Proteinstrukturdatenbanken haben ergeben, dass die Struktur eines Drittels aller bekannten Proteine durch nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen Schwefel und pi-Elektronen aromatischer Gruppen, so genannte S-pi-Wechselwirkungen, stabilisiert wird. Aufgrund der Veränderung der Elektronenorbitale sind die S-pi-Wechselwirkungsgruppen auch als Relaisstationen an den Elektronentransportprozessen innerhalb der Proteine beteiligt. Die biologische Relevanz dieser Wechselwirkung wird auch dadurch deutlich, dass sie bei Krankheiten eine Rolle spielt, die mit dem Verlust der Wechselwirkung aufgrund von Schwefeloxidation einhergehen, darunter altersbedingte Krankheiten wie Alzheimer oder Creutzfeldt-Jakob. S-pi-Wechselwirkungen gewinnen in vielen Forschungsbereichen an Interesse, etwa bei der Entwicklung neuer Medikamente für gezielte Therapien, beim Entwurf von Organokatalysatoren und beim Verständnis der Struktur und der Funktionen biologischer Systeme. Bislang gibt es jedoch keinen spektroskopischen Fingerabdruck dieser Wechselwirkung, der nicht nur Informationen über die elektronische Struktur, Ladungstransfers und abgeleitete Eigenschaften von schwefel- und aromatenhaltigen Proteinen liefert, sondern auch einen Biomarker für die Proteindenaturierung zur frühzeitigen Erkennung bestimmter Krankheiten darstellen könnte. Mit diesem Projekt zielen unsere Teams darauf ab, fortschrittliche Gasphasenspektroskopie-Instrumente (IR-, UV/VUV- und Röntgenspektroskopie) in Kombination mit massenspektrometrischen Techniken einzusetzen, um die Fingerabdrücke der S-pi-Wechselwirkungen in Peptiden und Proteinen zu entschlüsseln. Die grundlegenden Auswirkungen der Schwefeloxidation auf die Denaturierung des Proteins und die Veränderungen der spektroskopischen Signatur werden ebenfalls untersucht. Diese experimentelle Arbeit wird durch theoretische Berechnungen unterstützt, bei denen die S-pi-Wechselwirkung und der Rest des Moleküls durch ab initio-Methoden (QM) bzw. Molekularmechanik (MM) behandelt werden. Die Spektrenberechnung könnte auch Clustering-Techniken erfordern, um eine Schätzung der wichtigen Konformeren zu erhalten und so Schlüsselmerkmale für die Stabilisierung der Proteinstruktur durch S-pi-Wechselwirkungen zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Großgeräte: Deep-UV OPO Nd:YAG laser
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Mitverantwortlich(e): Dr. Sadia Bari
• Kooperationspartnerinnen: Professorin Dr. Chantal Houée-Levin; Professorin Dr. Debora Scuderi