Strukturuntersuchung photoaktiver Proteine durch (in-situ) Neutronenstreuung

Projektlaufzeit

01.06.2021. - 15.11.2021.

Im Projekt einbezogenen Länder und Institutionen

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Universität Tartu
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Humboldt Universität zu Berlin
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Technische Universität Berlin

Projektleiter

Prof. Dr. Jörg Pieper

Ziele des Projekts

Ein detailliertes Verständnis der Funktion von Proteinen erfordert stets genaue Informationen über deren Struktur. Es ist das Ziel dieses Projektes, das an zwei ausgewählten Beispielen aufzuzeigen. Photosystem I (PSI) ist ein äußerst stabiles Membranprotein, das Sonnenenergie zunächst in elektrische und schließlich in chemische Energie umwandelt. PSI kann auch in der Biotechnologie verwendet werden, z.B. in biohybriden photoelektrochemischen Zellen. Dafür ist es nötig, die Struktur von Komplexen zu untersuchen, die PSI mit verschiedenen Elektronendonoren und -akzeptoren wie Zytochrom c6 oder Ferredoxin bildet. Ein anderes Beispiel ist das Orange Caroteniod Protein (OCP). Es ist ein photoaktives Protein und vollzieht nach Lichtanregung eine signifikante Strukturänderung in den aktiven Zustand, die jedoch noch nicht vollständig verstanden ist. Neutronen-Kleinwinkel-streuung (SANS) ist hervorragend geeignet, um Proteinstrukturen in Lösung aufzuklären und insbesondere die Komplexbildung von Proteinen bzw. auch lichtinduzierte Strukturen zu ermitteln. Da PSI ein Membranprotein ist, kann es nur in einer Hülle aus Detergenzmolekülen isoliert werden. Jedoch nur bei Verwendung von „unsichtbaren“ deuterierten Detergenzien, können sie bei SANS durch sogenannte Kontrastvariation ausgeblendet werden, so dass im Experiment tatsächlich nur die Struktur von PSI gesehen wird. In Gegensatz dazu erfordert Strukturaufklärung von OCP eine Kombination von SANS mit in-situ Beleuchtung der Probe. Beide Lösungsansätze werden neue und bisher einzigartige Strukturinformationen liefern.

Hauptaktivitäten des Projekts

  1. Die Gruppe am Institut für Physics in Tartu (Estland), ist für die Vorbereitung und Durchführung der Neutronenexperimente sowie für die Konstruktion des speziellen Aufbaus zur in-situ-Beleuchtung der Proben verantwortlich. Hier wird auch die Datenanalyse durchgeführt, um neue Strukturmodelle zu entwickeln.
  2. Die Gruppe an der Humboldt Universität zu Berlin (Deutschland) wird Präparationen von PSI und von Komplexen für biotechnologische Anwendungen in deuterierten Detergenzien liefern.
  3. Die Gruppe an der Technischen Universität Berlin (Deutschland) wird OCP-Proben mit verschiedenem Karotenoidgehalt und selektiver Deuterierung präparieren, die für Neutronenexperimente mit Kontrastvariation nötig sind.
  4. Die Experimente werden am MLZ Garching (Deutschland) im Rahmen des normalen Nutzerbetriebes durchgeführt.

Zielgruppe des Projekts

Estnische and Baltische Community von Neutronenstreuern, Wissenschaftler aus Biophysik und Neutronenstreuung auf internationaler Ebene.