Strukturveränderungen von Forisomen auf Oberflächen nach natürlichen und technischen Stimuli

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Gundula Noll; Professor Dr. Gunther Wittstock
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550743680

Forisome sind pflanzliche Mechanoproteine, die auf eine Änderung der Ca2+-Ionenkonzentration reversibel mit einer Form und Volumenänderung reagieren. Es handelt sich um sehr große Proteinkomplexe, die spontan durch einen Assemblierungsprozess aus mehreren Untereinheiten gebildet werden. Die MtSEO-F1-Untereinheit dieser Proteinkomplexe kann biotechnologisch in großen Mengen im heterologen System exprimiert werden. Diese Untereinheit bildet artifizielle Forisome, die ebenfalls auf Änderungen der Ca2+-Ionenkonzentration reagieren und darüber hinaus empfindlich auf Änderungen anderer Ionenkonzentrationen reagieren. Für eine mögliche technologische Nutzung von artifiziellen Forisomen als biogene Schalter müssen diese an eine Oberfläche gekoppelt werden, wobei in vorausgehenden Arbeiten nicht alle artifiziellen Forisome ein einheitliches Verhalten zeigten. Vor einer Nutzung dieser Proteine als autonome Aktuatoren muss ihr Schaltverhalten und ihre Ankopplung an Oberflächen besser verstanden werden. In diesem Projekt soll zunächst eine neue Methodik entwickelt werden, mit der das Schaltverhalten individueller oberflächengebundener artifizieller Forisome durch eine neuartige Kombination von Infrarot-Mikroskopie und elektrochemischer Rastermikroskopie (SECM, scanning electrochemical microscopy) untersucht werden kann. Die MtSEO-F1-Untereinheiten bilden mikrometergroße Proteinkomplexe, die mit beiden Methoden darstellbar sind. Die Die Längenausdehnung der Proteinkomplexe liegen im Bereich mehrer Mikrometer. Die beiden Mikroskopieverfahren liefern komplementäre Informationen: Die Infrarotmikroskopie erlaubt Einblicke in die kovalenten und nichtkovalenten Bindungsmotive innerhalb des Proteinkomplexes und die SECM liefert über die Permeabilität der Proteinkomplexe Informationen über die Packung der Sekundärstrukturen der Proteine vor und nach einem Schaltprozess. Die Mikroskopieverfahren erlauben es, die Daten von einzelnen künstlichen Forisomen zu erhalten und Variationen zwischen verschiedenen künstlichen Forisomen zu beurteilen. Mit dieser Methodik wird untersucht, wie sich artifizielle Forsiome möglichst definiert an Elektrodenoberflächen binden lassen und wie sich der Assemblierungsprozess möglicherweise durch die Gestaltung der Oberflächen gezielt steuern lässt. Weiterhin wird durch ortsgerichtete Mutagenese der MtSEO-F1-Untereinheit untersucht, welchen Einfluss individuelle Aminosäuren innerhalb des Proteins auf die Assemblierung, die Stabilität und den molekularen Schaltmechanismus an Oberflächen haben. Außerdem soll untersucht werden, wie das Schaltverhalten durch Modifikation der Aminosäuresequenz und der Elektrodenstrukturen an nichtphysiologische Trigger, wie z.B. pH-Veränderungen, elektrische Potentiale einer Kontaktelektrode oder Konzentrationsänderungen anderer Metallkationen, angepasst werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Infrarot-Mikroskop
• Gerätegruppe: 5040 Spezielle Mikroskope (außer 500-503)
• Mitverantwortlich(e): Privatdozentin Dr. Izabella Brand