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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)
2010
Gastwissenschaftler, Weizmann Institut (Irit Sagi)
2006-2010
Promotion, Ruhr-Universität Bochum (Martina Havenith)
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
 

14.    Auf Einladung von Prof. Christian Ochsenfeld (scheduled)
Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational (WATOC)
Title: to be announced
27. August – 1. September 2017, München

13.   Auf Einladung von Prof. Andrea Markelz (scheduled)
253rd American Chemical Society (ACS) National Meeting
Symposium: Long-range Correlated Motions in Proteins
Title: to be announced
2. – 6. April 2017, San Francisco, CA, US

12.   Auf Einladung von Prof. Roland Netz (scheduled)
SFB/CRC 1114 Konferenz: „Scaling Cascades in Complex Systems“, Freie Universität Berlin
Title: to be announced
27. – 29. März 2017, Berlin

11.    Auf Einladung von Prof. Dor Ben-Amotz
Telluride Science Research Center (TSRC) workshop: Interfacial molecular and electronic structure and dynamics
3D-2PT: Analyzing the thermodynamics of solvation via intermolecular vibrations
18. – 22. Juli 2016, Telluride, CO, US

10.    Auf Einladung von Dr. Martin Weik, Prof. John Straub and Prof. Douglas J. Tobias
Telluride Science Research Center (TSRC) workshop: Protein dynamics
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
3. – 8. April 2016, Les Houches, FR

9.    Auf Einladung von Prof. Douglas J. Tobias
American Physical Society (APS) March Meeting
Session: Water at Biological Interfaces
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
14. – 18. März 2016, Baltimore, MD, US

8.    Auf Einladung von Prof. Alenka Luzar
Pacifichem 2015
Symposium: Recent Advances in Dynamics of Confined Liquids
Water in the pocket: Exploring local entropies and dynamics of water confined on biomolecular surfaces in atomistic simulations
15. – 20. Dezember 2015, Honolulu, Hawaii, US

7.    Auf Einladung von Dr. Ali Hassanali
Workshop on Water at the Interface between Biology, Chemistry, Physics and Materials Science
The dynamic footprint of biomolecules in their local solvation environment
5. – 9. Oktober 2015, Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (ICTP), Trieste, IT

6.   Auf Einladung von Prof. Sihyun Ham
15th KIAS Conference on Protein Structure and Function
Interactions of proteins with their solvating environment
17. – 19. September 2015, Korea Institute for Advanced Study (KIAS), Seoul, KR

5.   Auf Einladung von Prof. Dr. Dominik Marx
CECAM-Jülich School on Computational Trends in Solvation and Transport in Liquids
Biomolecular solvation
23. – 27. März 2015, Jülich Sompercomputing Centre, Jülich

4.   Auf Einladung von Prof. Douglas J. Tobias
Gordon Research Conference (GRC) on Water & Aqueous Solutions 2014
Correlated vibrations of proteins and their hydration water
27. Juli – 1. August 2014, Holderness, NH, US

3.     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, FR

2.    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, CH

1.     Auf Einladung von Professor Dor Ben-Amotz
243rd American Chemical Society (ACS) National Meeting, San Diego Convention Center
Correlated intermolecular motion in solvation water of biomolecules
28. März 2012, San Diego, CA, US

25.    Auf Einladung von Dr. Jan Heyda
University of Chemistry and Technology, Department of Physical Chemistry, Prag
Extracting solvation entropies and free energies from equilibrium intermolecular vibrations
4. November 2016, Prag, CZ

24.   Auf Einladung von Prof. Jeremy Harvey
Katholieke Universiteit Leuven, Department of  Chemistry
Mini-symposium solutions and solvation: a computational viewpoint
Vibrations in the water hydrogen bond network
18. August 2016, Leuven, BE

23.    Auf Einladung von Prof. Dr. Nico van der Vegt
Technische Universität Darmstadt, Computational Physical Chemistry
Simulating solvation: Understanding native biomolecular environments in atomistic detail
15. Juni 2016, Darmstadt

22.    Auf Einladung von Prof. Dr. Eckhard Spohr
Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für Chemie
What local water dynamics can tell us about solvation thermodynamics?
13. April 2016, Essen

21.    Auf Einladung von Prof. Damien Laage
Ecole Normale Supérieure Paris
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
31. März 2016, Paris, FR

20.    Auf Einladung von Prof. Dor Ben-Amotz
Purdue University, Department of Chemistry,
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
12. Januar 2016, West Lafayette, IN, US

19.    Auf Einladung von Prof. Heather Allen
Ohio State University, Department of Chemistry,
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
11. Januar 2016, Columbus, OH, US

18.   Auf Einladung von Prof. Francesco Paesani
University of California, Department of Chemistry, San Diego
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
8. Januar 2016, San Diego, CA, US

17.    Auf Einladung von Prof. Douglas J. Tobias
University of California, Department of Chemistry, Irvine
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
7. Januar 2016, Irvine, CA, US

16.    Auf Einladung von Prof. Dr. Daniel Sebastiani
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Lehrstuhl für Chemie
The dynamic footprint of biomolecules in their local solvation environment
19. November 2015, Halle

15.    Auf Einladung von Prof. Sihyun Ham
Sookmyung Women’s University Seoul
Biomoleular Solvation
14. September 2015, Seoul, KR

14.    Auf Einladung von Prof. Dr. Roland Netz
Freie Universität Berlin, FB Theoretische Physik
Biomolecular stability and dynamics in the context of the solvating environment
16. Juli 2015, Berlin

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

12.     Auf Einladung von Prof. Dr. Rebecca Wade
Heidelberg Institut für Theoretische Studien
Monte Carlo sampling of flexible proteins and polymers in many-molecule systems
15. Juli 2014, Heidelberg

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

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

9.     Auf Einladung von Dr. Martin Weik
Institute de Biologie Structurale (IBS)
Understanding the influence of the solvating environment on biomolecular properties
16. Mai 2014, Grenoble, FR

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

7.     Auf Einladung von RESOLV Cluster of Excellence
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
Role of collective vibrations for solute-solvent interactions of proteins and enzymes
27. Februar 2013, Mülheim an der Ruhr

6.     Auf Einladung von Professor Mounir Tarek
Université Henri Poincaré Nancy, Équipe de Chimie et Biochimie Théoriques
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, FR

5.     Auf Einladung von Professor Dr. Ana-Nicoleta Bondar
Freie Universität Berlin, Abteilung Theoretische Molekulare Biophysik
Membrane protein dynamics in different lipid environments:
Native membranes vs. reconstitution in artificial lipid bilayers studied with molecular dynamics simulations

6. Juni 2011, Berlin

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

3.     Auf Einladung von Professor Dr. Walter Thiel
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Abteilung Theoretische Chemie
Water seen through Terahertz glasses
14. Juli 2010, Mülheim an der Ruhr

2.     Auf Einladung von Professor Douglas J. Tobias
University of California, Department of Theoretical Chemistry, Irvine
Water seen through Terahertz glasses - Picosecond dynamics and THz vibrational modes in water and aqueous solutions
29. März 2010, Irvine, CA, US

1.     Auf Einladung von Professor Dr. Paul Tavan und Dr. Gerald Mathias
Ludwig-Maximilian Universität München, Lehrstuhl für BioMolekulare Optik
Vibrational modes of water in ab initio molecular dynamics simulations
10. Juli 2009, München

16.    52nd Symposium on Theoretical Chemistry (STC) (scheduled)
Solvation thermodynamics probed by intermolecular vibrations in molecular dynamics simulations
26. – 29. September 2016, Bochum

15.    115th General Assembly of the German Bunsen Society for Physical Chemistry (Bunsentagung)
Thermodynamic properties of water solvating biomolecular surfaces
5. – 7. Mai 2016, Rostock

14.    Molecular Graphics and Modeling Society Meeting: Exploring Mechanisms in Biology – Theory and Experiment
Understanding molecules in their natural habitat – How the solvating environment affects protein dynamics and stability
25. – 27. November 2015, Singapore

13.    572th WE-Heraeus-Seminar: “Exploring Solvation Science”
Resolving anisotropic distributions of correlated vibrational motion in protein hydration water
27. – 30. October 2014, Bad Honnef

12.    50th Symposium on Theoretical Chemistry (STC)
Spatial resolution of long-ranged dynamical coupling between proteins and hydration water
14. – 18. September 2014, Wien, AT

11.    Condensed Matter Days 2014 (CMD 25 – JMC 14)
Tracking correlations of vibrational motion from biomolecular solutes into the surrounding solvent
24. – 29. August 2014, Paris, FR

10.    113th General Assembly of the German Bunsen Society for Physical Chemistry (Bunsentagung)
Analyzing coupled solute/solvent dynamics via correlated vibrational motion in protein hydration shells
2. – 31. Mai 2014, Hamburg

9.    Telluride Science Research Center (TSRC) workshop: Vibrational Dynamics
Intermolecular vibrations in water and aqueous solutions
25. – 29. Juli 2011, Telluride, CO, US

8.     International Workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST) 2011
Solvation water of biomolecules seen through THz glasses
13. – 17. März 2011, Santa Barbara, CA, US

7.    AirUCI workshop
Ions in motion: Intermolecular vibrations of solvated ions in the far infrared
19. – 20. Januar 2011, Laguna Beach, CA, US

6.    21. Faltertage
Solvation water of biomolecules seen through terahertz glasses
15. – 17. Oktober 2010, Regensburg

5.    Gordon Research Conference (GRC) on Water & Aqueous Solutions
Invited short talk: Water seen through terahertz glasses
8. – 13. August 2010, Holderness, NH, US

4.    HLRB2 Workshop for Supercomputer Users
Statistically converged properties of water from ab initio molecular dynamics simulations
8. – 9. Dezember 2009, Garching

3.    108th Annual Meeting of the German Bunsen Society for Physical Chemistry (Bunsentagung)
THz vibrational modes in ab initio water simulations
21. – 23. Mai 2009, Köln

2.    63rd OSU International Symposium on Molecular Spectroscopy 2008
Probing hydrogen bond network vibrations in carbohydrate solvation shells at THz frequencies
16. – 20. Juni 2008, Columbus, OH, US
(präsentiert durch S. Ebbinghaus)

1.    106th General Assembly of the German Bunsen Society for Physical Chemistry (Bunsentagung)
Characteristics of solvation water around carbohydrates and proteins
17. – 19. Mai 2007, Graz, AT

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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  • Dr. Matthias Heyden

    Dr. Heyden, Matthias

    Jan 14 – Sep 17 Independent Group Leader (RESOLV)

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    Päslack, Christopher

    Feb 15 – Sep 15 Graduating Student; Oct 15 – Sep 17 PhD Student (Heyden Group)

    paeslack((atsign))kofo.mpg.de

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    Pattni, Viren

    +49(0)208/306-2148

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  • Dr. Rasmus Persson A. X.

    Dr. Persson A. X., Rasmus

    Sep 14 – Aug 15 Post-doc (Heyden Group)

    persson((atsign))kofo.mpg.de

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  •  Dhiman Ray

    Ray, Dhiman

    May 16 – Jul 16 Visiting PhD Student (Heyden-Group)

    dhiman((atsign))kofo.mpg.de

     

  • Dr. Yao Xu

    Dr. Xu, Yao

    Sep 16 – Mar 17 Post-doc (Heyden Group)

    xu((atsign))kofo.mpg.de