Multiskalensimulationen von umgebungsinduzierten Konformationsübergängen in Peptidsystemen: Faltungs-, Verteilungs- und Aggregationsprozesse

• Antragstellerin: Professorin Dr. Christine Peter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236706339

Peptide sind ein Schlüsselbaustein in vielen wissenschaftlichen Bereichen - von der Biomedizin, über die Nahrungsmittelforschung bis hin zu biomimetischen Materialien. Amphiphile Peptide werden zum Beispiel in der Wirkstoffforschung eingesetzt, um Partikel durch Zellmembranen zu transportieren. Hier ist ein entscheidender Faktor, dass Peptide schaltbar sind, da eine Änderung von Umgebungseigenschaften wie z. B. der pH-Wert das Faltungsgleichgewicht verschieben und die Bildung/Entfaltung von Sekundärstrukturen auslösen kann. Auch wegen ihrer Tendenz zur Bildung wohldefinierter Aggregate werden Peptide vielfach eingesetzt - zum Beispiel im Bereich der Biomimetik. Für all diese Anwendungen ist es von entscheidender Bedeutung, den Zusammenhang zwischen Aminosäuresequenz, Faltung und Umgebungsparametern wie pH-Wert, Ionenstärke, Gegenwart einer hydrophil/hydrophoben Grenzfläche, Gegenwart von anderen Peptiden bzw. Peptidaggregaten etc. zu verstehen. Molekulare Simulation kann hier entscheidend zum Verständnis der ausschlaggebenden Wechselwirkungen und der zu Grunde liegenden thermodynamischen Triebkräfte beitragen. Atomistische Modelle allein stoßen jedoch speziell bei Aggregationsphänomenen schnell an ihre Grenzen in Punkto Zeit- und Längenskalen. Hier kann man insbesondere durch ein Wechselspiel von atomistischen Simulationen und gut darauf abgestimmten vergröberten Modellen weit über das hinausgehen, was mit einer einzelnen Simulationsebene allein möglich ist.Um im vergröberten Modell eine realistische Beschreibung der Strukturbildungsprozesse zu erhalten, muss die gegenseitige Abhängigkeit von Aggregation, Faltungs- und Verteilungsgleichgewichten korrekt durch das Modell wiedergegeben werden. Diese Aufgabe stellt in gewisser Weise ein Transferierbarkeitsproblem dar. Das bezieht sich darauf, dass der Anwendungsbereich vergröberter Modelle aufgrund des Weglassens vieler Freiheitsgrade typischerweise recht eingeschränkt ist, so dass man vergröberte Modelle oft nur recht nahe am Referenzzustand der Parametrisierung anwenden kann, also bei ähnlichen thermodynamischen Bedingungen, Systemzusammensetzungen etc. Diese eingeschränkte Transferierbarkeit ist zurzeit eine der größten Herausforderungen für die Entwicklung vergröberter Modelle.In diesem Projekt planen wir, eine Strategie für transferierbare vergröberte Modelle für peptidbasierte Biomaterialien zu entwickeln - mit Fokus auf umgebungsinduzierte Konformationsübergänge. Die Modelle sollen die Kopplung von Peptidfaltung, Lösungsparametern, Aggregation, Wechselwirkung mit Grenzflächen und Verteilung zwischen Wasser und hydrophoben Medien reproduzieren. Wir werden uns auf die folgenden drei Peptidsysteme konzentrieren: (i) Diphenylalanin weist eine trans/cis-Konformationsänderung bei Aggregation bzw. Wechselwirkung mit einer hydrophoben Grenzfläche auf, während die (ii) GALA- und (iii) KL-Peptide umgebungsinduzierte Helix/Knäuel-Übergänge zeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Türkei
• Partnerorganisation: TÜBITAK The Scientific and Technology Research Council of Turkey
• Beteiligte Person: Professor Mehmet Sayar