Multiskalen Design von Eiswachstum beinflussenden Proteinen

Viele Lebewesen können in der Natur unter extremen Bedingungen, wie extremen Kälte-und Druckbe- dingungen, überleben. Zu diesen gehören unter anderem Pilze, Bakterien und Pflanzen, die in der Lage sind, das Gefrieren des sie umgebenden Wassers zu kontrollieren. Diese Fähigkeit erlaubt es den Lebe- wesen, sich an verändernde Umweltbedingungen, wie große Temperatürsprunge, anzupassen. Darüber hinaus erleichtert es die Suche nach Nahrung. Viele dieser Organismen besitzen sogenannte Antifrost- Proteine (antifreeze proteins, AFPs) oder Eis-Nukleations-Proteine (ice nucleator proteins, INPs), welche die Eis-Nukleationsrate beeinflussen können. Die Temperatur- und Druckbedingungen des Wassers selektieren, welches Protein für das Uberleben des jeweiligen Organismus am besten geeignet ist. Es gibt starke Hinweise darauf dass die Eigenschaften der Proteine und die des sie umgebenden Wassers stark korreliert sind. Die so erreichte Kontrolle des Gefrierprozesses ist einerseits von großem Interesse für Grundlagenwissenschaften wie Biologie und Klimaforschung, darüber hinaus ergeben sich auch bedeutende medizinische Anwendungsmöglichkeiten in der Kryokonservierung von Gewebe und Anwendungen in der Lebensmitteltechnik. Im Folgenden beantragen wir ein Simulations-Projekt mit dem Titel Theoretical and Numerical Analysis of Antifreeze and Ice Nucleator Proteins: A Coarse- Grained Approach for Multi-scale Study and Bio-Engineering. Das Ziel des Projekts ist die Erforschung der gegenseitigen Beeinflussung von Wasser und Anti-Frost-beziehungsweise Eis- Nukleations-Proteinen über einen weiten Temperatur und Druckbereich, mit Fokus auf das Verhalten der AFPs und INPs bei sehr niedrigen Temperaturen. Im Speziellen soll untersucht werden, wie die Proteinfaltung und die strukturellen Eigenschaften der Proteine die Eigenschaften des Wassers beeinflussen. Das Projekt baut auf zwei sehr gut belegten Computer-Modellen auf, welche die thermodynamischen, dynamischen und strukturellen Eigenschaften, einerseits von Wasser und andererseits von Proteinen reproduzieren. Arbeiten zu diesen Modellen wurden in high-impact Journalen wie den Proceedings of the National Academy of Sciences und den Physical Review Letters veröffentlicht. Der erfolgreiche Abschluss dieses Projekts eröffnet neue Wege im computer-basierten Design von künsttichen Proteinensequenzen, welche die Wasserphase beeinflussen können. Dieses Projekt ist in einem langjährigen interdisziplinären Forschungsprogramm am Schnittpunkt von Biologie, Physik und Chemie verortet und ist Thema vieler Publikationen in relevanten internationalen Journalen. Das Projekt wird an der Universität Wien durchgeführt von Dr. Valentino Bianco, dem Antragsteller, in Zusammenarbeit mit Dr. Ivan Coluzza, einem Experten in der Modellierung und Simulation von biophysikalischen Systemen, und Professor Dr. Christoph Dellago, einem weltführenden Experten in statistischer und Computergestützter Physik.

Viele lebende Organismen konnten sich durch natürliche Auslese harten Umweltbedingungen, wie extrem niedrigen Temperaturen oder sehr hohen Drücken, anpassen und sie überleben. Es ist beispielsweise der Fall von Pilzen, Bakterien und Pflanzen, die die Eisbildung des umgebenden Wassers kontrollieren können. Diese Fähigkeit ermöglichtessolchen Organismen, sichan Umwelteinflüssewiegroße Temperaturschwankungen anzupassen und die Nahrungssuche zu erleichtern. Es ist bekannt, dass viele dieser Organismen Biomoleküle wie Frostschutzproteine (AFPs) und Eiskernproteinproteine (INPs) enthalten, die die Eisnukleationsrate beeinflussen können. Ein derartiges Merkmal stößt in einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Disziplinen wie Biologie und Atmosphärenforschung auf großes Interesse und bietet mehrere technologische Anwendungen, wie Kryokonservierung von Geweben und Verlängerung der Haltbarkeit von Tiefkühlkost. Die Auswahl stabiler Proteinsequenzen, die sich zu einer einzigartigen stabilen und funktionellen Struktur falten können, hängt von den Temperatur-Druck-Bedingungen des Organismus ab. Es gibt zahlreiche Beweise dafür, dass die Eigenschaften des Proteins und des umgebenden Wassers eng miteinander verbunden sind, und das Wasser-Protein- Wechselspiel ist ein grundlegender Schlüssel zum Verständnis der Selektion, der Faltung und der Funktion von Proteinen. Das vorgeschlagene Projekt konzentrierte sich auf die Untersuchung des wechselseitigen Einflusses von Wasserprotein für einen weiten Temperatur- und Druckbereich, wobei das Verhalten von Proteinen, die unter extremen Bedingungen wie den AFPs arbeiten, im Mittelpunkt stand. Mithilfe von Rechenmodellen haben wir eine Strategie entwickelt, um Proteinsequenzen zu identifizieren, die unter verschiedenen thermodynamischen Bedingungen, wie niedriger Temperatur oder hohem Druck, falten können. Wir haben gezeigt, dass die Sequenzen der Proteine von den Wassereigenschaften und den Umweltbedingungen abhängen, unter denen das Protein wirken soll. Insbesondere hängt die Zusammensetzung von hydrophilen und hydrophoben Aminosäuren von der Temperatur ab, bei der das Protein wirken soll. Darüber hinaus haben wir allgemeine Kriterien entwickelt, mit denen künstliches Heteropolymer und Proteine entworfen werden können, wobei die für eine Faltungssequenz erforderliche Mindestanzahl an Aminosäuren und deren Beziehung zur Struktur des gefalteten Proteins festgelegt werden. Schließlich haben wir die Möglichkeit untersucht, die Faltung von Polymeren durch aktivierende Monomere entlang der Ketten zu verbessern. Unsere Methodik ist der erste Schritt auf dem Weg zum Design künstlicher intelligenter Polymere entsprechend der Lösemitteleigenschaft.