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.

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