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Einflüsse der solvatisierenden Umgebung auf Dynamik und Stabilität von Proteinen

Proteine, die Bausteine des Lebens, und insbesondere Enzyme, welche die essentiellen chemischen und biochemischen Prozesse des Lebens katalysieren, sind durch die Evolution an ihre jeweiligen Aufgaben optimal angepasst. Unter anderem besteht die Anpassung darin in einer bestimmten chemischen Umgebung optimal zu funktionieren, beispielsweise einer wässrigen Lösung mit hohen Konzentrationen weiterer Biopolymere und Metabolite oder als integraler Bestandteil einer Lipidmembran.
Als Teil des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 1069), welcher sich gezielt mit Lösungsmitteleinflüssen auf chemische und biochemische Prozesse beschäftigt, setzen wir in unserer Arbeitsgruppe Molekular-Dynamik und Monte Carlo Simulationen ein um den Einfluss der Umgebung auf gelöste Proteine durch gezielte Manipulationen der Eigenschaften des Lösungsmittels zu studieren. Aktuelle Schwerpunkte unserer Forschung sind Korrelationen kollektiver Bewegungen in Proteinen und ihrer Umgebung, sowie der Einfluss hoher Protein-Konzentrationen auf die Proteinfaltung.
 

Matthias Heyden

Dr. Matthias Heyden

seit 2013
RESOLV Nachwuchsgruppenleiter, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
2010-2013
Postdoc, University of California, Irvine (Douglas J. Tobias)
2006-2010
Promotion, Ruhr-Universität Bochum (Martina Havenith)
2010
Gastwissenschaftler, Weizmann Institut (Irit Sagi)
2006
Gastwissenschaftler, University of Nevada, Reno (David M. Leitner)
2001–2006
Studium Biochemie, Ruhr-Universität Bochum
1981
geboren in Düsseldorf
2011
Postdoc-Stipendium der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina
2011
Peter A. Salamon Award of the Telluride Science Research Center
2010
Victoria Buch Memorial Poster-Preis der Gordon Research Conference: Water & Aqueous Solutions
2009
Teilnahme am 59. Nobelpreistäger-Treffen in Lindau
2008
Promotionsstipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes
2007
PCCP Poster-Preis des International Bunsen Discussion Meeting: “Exploring THz spectroscopy”
2007
Fellowship der Ruhr-University Research School
2006
DAAD-Auslandsstipendium
2014
Sprecher der RESOLV Nachwuchswissenschaftler
2014
Vorsitzender, Gordon Research Seminar Water & Aqueous Solutions
 

16.    Auf Einladung von Prof. Dr. Gerhard Stock
Physikalisches Institut , Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Analyzing the effects of the solvating environments on proteins in simulations
17. Juli 2014, Freiburg, Deutschland

15.     Auf Einladung von Prof. Dr. Rebecca Wade
Heidelberg Institute for Theoretical Studies
Monte Carlo sampling of flexible proteins and polymers in many-molecule systems
15. Juli 2014, Heidelberg, Deutschland

14.     Auf Einladung von Prof. Dr. Joachim Dzubiella
Institut Weiche Materie und Funktionale Materialien, Helmholtz-Zentrum Berlin
Analyzing the interactions between bimolecular solutes and their solvating environment
20. Juni, 2014, Berlin, Deutschland

13.     Auf Einladung von Prof. Dr. Christel Marian
Theoretische Chemie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Coupled solute-solvent dynamics in biomolecular solutions
28. Mai 2014, Düsseldorf, Deutschland

12.     Auf Einladung von Dr. Martin Weik, Prof. John Straub und Prof. Douglas J. Tobias
Telluride Science Research Center (TSRC) workshop: Protein dynamics
Correlations in protein and solvent dynamics studied with atomistic molecular dynamics simulations
19. Mai 2014, Les Houches, Frankreich

11.     Auf Einladung von Dr. Martin Weik
Insitute de Biologie Structurale
Understanding the influence of the solvating environment on biomolecular properties
16. Mai 2014, Grenoble, Frankreich

10.    Auf Einladung von Prof. Dr. Ana-Nicoleta Bondar
CECAM workshop: Coupling between protein, water, and lipid dynamics in complex biological systems
Dynamics of a fast activating G-protein coupled receptor in extended simulations
26. September 2013, Lausanne, Schweiz

9.     Auf Einladung von Dr. Jens Kortmann
School of Medicine, Stanford University
Molecular dynamics simulations and the role of solvation in biological processes
6. Mai 2013, Palo Alto, CA, USA

8.     Auf Einladung von RESOLV Cluster of Excellence
Max-Planck-Institute for Coal Research
Role of collective vibrations for solute-solvent interactions of proteins and enzymes
27. Februar 2013, Mülheim / Ruhr, Germany

7.     Auf Einladung von Professor Dor Ben-Amotz
243rd ACS National Meeting, San Diego Convention Center
Correlated intermolecular motion in solvation water of biomolecules
28. März 2012, San Diego, CA, USA

6.     Auf Einladung von Professor Mounir Tarek
Équipe de Chimie et Biochimie Théoriques, Université Henri Poincaré Nancy
Vibrations in water at THz frequencies and membrane protein dynamics at timescales from ps to µs
─ insights from various molecular dynamics approaches

30. Juni 2011, Nancy, France

5.     Auf Einladung von Professor Dr. Ana-Nicoleta Bondar
Department of Theoretical Molecular Biophysics, Free University Berlin
Membrane protein dynamics in different lipid environments:
Native membranes vs. reconstitution in artificial lipid bilayers studied with molecular dynamics simulations

6. Juni 2011, Berlin, Germany

4.     Auf Einladung von Professor Mark Sherwin
Institute for Terahertz Science And Technology, University of California, Santa Barbara,
Tuning in on the frequencies of the hydrogen bond network of water
28. April 2011, Santa Barbara, CA, USA

3.     Auf Einladung von Professor Dr. Walter Thiel
Department of Theoretical Chemistry at the Max-Planck-Institute for Coal Research
Water seen through Terahertz glasses
14. Juli 2010, Mülheim / Ruhr, Germany

2.     Auf Einladung von Professor Douglas J. Tobias
Department of Theoretical Chemistry at the University of California, Irvine
Water seen through Terahertz glasses
- Picosecond dynamics and THz vibrational modes in water and aqueous solutions

29. März 2010, Irvine, CA, USA

1.     Auf Einladung von Professor Dr. Paul Tavan und Dr. Gerald Mathias
Department of Biomolecular Optics at the Ludwig-Maximilian University Munich
Vibrational modes of water in ab initio molecular dynamics simulations
10. Juli 2009, Munich, Germany

Forschungsthemen

Korrelierte kollektive Dynamik in Proteinen und der solvatisierenden Umgebung
Korrelierte kollektive Dynamik in Proteinen und der solvatisierenden Umgebung

Korrelierte kollektive Dynamik in Proteinen und der solvatisierenden Umgebung

In Molekular-Dynamik Simulationen analysieren wir den wechselseitigen Einfluss zwischen dynamischen Prozessen in solvatisierten Biomolekülen und dem umgebenden Lösungsmittel. Speziell für wasserlösliche Proteine, spielen hierbei Schwingungen im fern-infraroten Frequenzbereich zwischen 30 und 300 cm-1, bzw. 1 bis 10 Tera-Hertz, eine besondere Rolle. In diesem Bereich des Spektrums befinden sich die intermolekularen Schwingungen des H-Brücken Netzwerks des Wassers, als auch eine Vielzahl von Schwingungen darin gelöster Proteine. Anhand raum- und zeit-aufgelöster Kreuzkorrelationsfunktionen konnten wir zeigen, dass sich die Schwingungen des Proteins und des Wassers in der umgebenden Hydrathülle in diesem Frequenzbereich gegenseitig über Abstände bis zu 10 Å beeinflussen. Damit konnte die experimentelle Beobachtung einer gegenüber reinem Wasser veränderten Absorption der Wasserschwingungen in diesem Teil des Spektrums zum ersten Mal hinreichend erklärt werden.

Ziel unserer weiteren Forschung ist es die Konsequenzen dieser korrelierten Schwingungsbewegungen für die Dynamik gelöster Proteine detailliert zu untersuchen, unter anderem durch gezielte Störung der den Korrelationen zugrunde liegenden mechanischen Kopplung der Schwingungen im Protein und des umgebenden Solvents, sowohl in Simulationen als auch in begleitenden Experimenten unserer Kooperationspartner.Von besonderem Interesse ist die Frage, in wieweit die beobachteten langreichweitigen Korrelationen eine Form der Anpassung von Proteinen, insbesondere Enzymen, an ihre natürliche Umgebung darstellen und daher relevant für ihre Funktion sind. Existierende experimentelle Ansätze, in denen die katalytischen Eigenschaften von Enzymen künstlich durch das eingesetzte Lösungsmittel modifiziert werden, legen einen solchen Mechanismus nahe.

Ein detailliertes Verständnis einer solchen aktiven Rolle des Lösungsmittels wäre für wissensbasierte Eingriffe in biochemische Prozesse von großer Bedeutung, wie zum Beispiel der Entwicklung hochspezifischer Medikamente oder dem Einsatz von Enzymen in der Synthese komplexer Verbindungen.

Modellierung von Faltungsgleichgewichten im Inneren einer Zelle
Modellierung von Faltungsgleichgewichten im Inneren einer Zelle

Modellierung von Faltungsgleichgewichten im Inneren einer Zelle

Basierend auf existierenden Interaktionsmodellen, welche für Simulationen Brown’scher Molekülbewegungen in komplexen Protein-Lösungen mit bis zu 1000 Proteinen eingesetzt werden, entwickeln wir in unserer Arbeitsgruppe Simulationstechniken die es erlauben die internen Freiheitsgrade der simulierten Proteine zu berücksichtigen. Durch den Einsatz von Monte Carlo Simulationen verzichten wir hierbei auf die Möglichkeit dynamische Prozesse detailliert zu beobachten. Allerdings erlauben uns diese Simulationen Gleichgewichte, beispielsweise zwischen ge- und entfalteten Zuständen, zu simulieren und den Einfluss der Umgebung auf dieses Gleichgewicht zu analysieren. Hierbei konzentrieren wir uns auf den Einfluss spezifischer und unspezifischer Interaktionen zwischen den gelösten Molekülen, welche wir durch die Modifikation der unterschiedlichen Terme des Interaktionspotentials beeinflussen können.

Unsere Simulationen begleiten hierbei experimentelle Arbeiten in der Gruppe von Jun.-Prof. Dr. Simon Ebbinghaus an der Ruhr-Universität Bochum, welche die Faltung von Proteinen und Polymeren sowohl in vitro als auch in vivo untersuchen.

Zielsetzung dieser Arbeiten ist es den Einfluss der besonderen Umgebung eines Proteins im Zellinneren detailliert zu verstehen, welche durch hohe Konzentrationen von Proteinen und anderen Biopolymeren charakterisiert ist. Eine aktuelle Fragestellung ist hierbei, ob reine Verdrängungseffekte, sogenanntes “molecular crowding”, ausreichen um Unterschiede zwischen experimentellen Beobachtungen bei großer Verdünnung in vitro und erst kürzlich möglich gewordenen Studien in komplexen biologischen Umgebungen wie dem Inneren einer Zelle zu erklären, oder ob die attraktiven Wechselwirkungen zwischen den Protein ebenfalls eine Rolle spielen.

 

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