digitale Austauschkonsole für 500 MHz widebore Festkörper NMR-Spektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Schwerpunkt der Anwendungen der bewilligten Austauschkonsole des 500 MHz Festkörper-NMR Spektrometers war die Untersuchung von Membranproteinen und membranständigen Peptiden. Intermolekulare Abstandsmessungen: Durch die Verwendung von 19F-Markierungen und speziellen NMR-Pulssequenz-Techniken konnten erstmals langreichweitige internukleare Abstände von mehr als 11 Å in fluiden Membranen gewonnen werden. Spezielle 19F-markierte Aminosäuren wurden für Abstandsmessungen neu entwickelt und auf ihre Anwendungen hin in antimikrobiellen Peptiden getestet. Weiterhin konnten 19F-19F Abstandsmessungen einen wichtigen Beitrag zur Wechselwirkung des Onkoproteins E5 aus dem Papilloma-Virus mit dem Tyrosinkinase-Rezeptor PDGF-R geben. Weiterhin ließ sich mittels Festkörper-NMR Abstandsmessungen bestätigen, dass TisB als Bestandteil eines Toxin/Antitoxin-Systems ein antiparalleles Dimer bildet. Bestimmung der Orientierung von antimikrobiellen Peptiden in Membranen und Membranproteinen: In Bakterien stellen die Membranen ein vielversprechendes Angriffsziel moderner Antibiotika dar, da sich Resistenzen hier weniger stark ausbilden können. Die Einbettung und Wirkungsweise diverser antimikrobieller Peptide konnte auf Basis ihrer anisotropen Festkörper-NMR Parameter in Modellmembranen aufgeklärt werden. Ebenfalls konnte die Orientierung des Zyklotids Kalata B1, eines zyklischen Peptids pflanzlicher Herkunft mit hoher pharmazeutischer Wirksamkeit, in Membranen bestimmt werden. Auch im Fall von Rezeptorproteinen ergaben die Messungen der molekularen Orientierung bedeutende Hinweise auf die Protein-Funktion, z. B. wie sich das E5 Oncoprotein an verschiedene Membrandicken anpasst. Mit dem erneuerten Spektrometer konnten weiterhin in der Tat-Translokase - einem Porenkomplex in Bakterien, durch den gefaltete Proteine durch die Membran exportieren werden - Konformations-Änderungen entdeckt werden, wodurch neue Modelle für diesen Transportmechanismus gewonnen werden konnten. Bestimmung der Dynamik von Membran-gebundenen Peptiden: Für den Mechanismus membranaktiver Peptide spielt die molekulare Beweglichkeit eine entscheidende Rolle. So konnte für das antimikrobielle Peptid BP100 mittels Festkörper-NMR eine ungewöhnlich hohe Dynamik festgestellt werden, was auf einen speziellen "carpet"-Wirkmechanismus hindeutet, über den das Peptid tief in die Membran eindringen kann. Untersuchungen in natürlichen Membranen: Eine wichtige Frage bei Untersuchungen mittels Festkörper-NMR, die überwiegend an Modellsystemen durchgeführt werden, ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf natürliche Biomembranen. Hier gelang es, Membranen aus "Micrococcus luteus" sowie aus Erythrozyten zu gewinnen und makroskopisch als NMR-Proben zu orientieren, um das Verhalten von antimikrobiellen Peptiden in natürlichen und Modellmembranen zu vergleichen. Dabei ergab sich die gleiche Orientierung und Beweglichkeit der Peptide in beiden Membransystemen. In einer weiteren Festkörper-NMR Untersuchung konnten antimikrobielle Peptide verschiedener Länge als Maßstab für die Bestimmung der Dicke natürlicher Bakterienmembranen herangezogen werden. Hierbei wurde hydrophobe Dicke der Peptide aus den NMR-Ergebnissen abgeleitet und mit ihrer jeweiligen antimikrobiellen Wirkung korreliert. Festkörper-NMR MAS-Analysen am modernisierten Spektrometer trugen dazu bei, das antimikrobielle Peptid Gramicidin S in nativen Bakterienzellen zu lokalisieren. Hierbei wurde festgestellt, dass Gramicidin S in granulösen Partikeln konzentriert ist, wobei es Komplexe mit Phosphatverbindungen eingeht und damit in der zellulären Energiespeicherung involviert zu sein scheint. Materialwissenschaftliche Festkörper-NMR Untersuchungen in Kooperation: Neben den oben genannten biologischen Anwendungen des Arbeitskreises Ulrich erwies sich das erneuerte Spektrometer als unentbehrliche Analysemethode in zahlreichen Kooperationen mit Partnern aus den Materialwissenschaften. Beispielsweise konnte die molekulare Beweglichkeit der Polymermatrix in Porphyrin/Perylen-Materialien charakterisiert werden, die für upconversion Energietransfer-Prozesse verwendet werden. Weiterhin wurde durch die Weiterverwendung der bisherigen Konsole an einem 300 MHz Spektrometer die Messzeit für unseren Kooperationspartner Sylvio Indris (IAM, KIT) maßgeblich erhöht, was wiederum zahlreiche Untersuchungen an Ionenbeweglichkeit in Batteriematerialien mittels 6Li/7Li NMR ermöglichte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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19F-labeling of peptides revealing long-range NMR distances in fluid membranes. Journal of Physical Chemistry Letters 5, 4256-4259 (2014)
S. L. Grage, X. Xu, M. Schmitt, P. Wadhwani, A. S. Ulrich
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Action of the multifunctional peptide BP100 on native biomembranes examined by solid-state NMR. Journal of Biomolecular NMR 61, 287-298 (2015)
J. Misiewicz, S. Afonin, S. L. Grage, J. van den Berg, E. Strandberg, P. Wadhwani and A. S. Ulrich
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Hydrophobic mismatch demonstrated for membranolytic peptides, and their use as molecular rulers to measure bilayer thickness in native cells. Scientific Reports5, 9388 (2015)
A. Grau-Campistany, E. Strandberg, P. Wadhwani, J. Reichert, J. Bürck, F. Rabanal and A. S. Ulrich
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Hydrophobic mismatch drives the interaction of E5 with the transmembrane segment of PDGF receptor. Biophysical Journal 109, 737-749 (2015)
D. Windisch, C. Ziegler, S. L. Grage, J. Bürck, M. Zeitler, P. L. Gor'kov, A. S. Ulrich
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Micelle-triggered ß-hairpin to a-helix transition in a 14-residue peptide from a choline-binding repeat of the pneumococcal autolysin LytA. Chemistry - A European Journal 21, 8076-8089 (2015)
H. Zamora-Carreras, B. Maestro, E. Strandberg, A. S. Ulrich, J. M. Sanz and M. Ángeles Jiménez
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2H-NMR and MD simulations reveal membrane-bound conformation of magainin 2 and its synergy with PGLa. Biophysical Journal 111, 2149-2161 (2016)
E. Strandberg, D. Horn, S. Reißer, J. Zerweck, P. Wadhwani, A.S. Ulrich
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Design, synthesis, and application of an optimized monofluorinated aliphatic label for peptide studies by solid-state 19F NMR spectroscopy. Angewandte Chemie - International Edition 55, 14788-14792 (2016)
S.O. Kokhan, A.V. Tymtsunik, S.L. Grage, S. Afonin S., O. Babii, M. Berditsch, A.V. Strizhak, D. Bandak, M.O. Platonov, I.V. Komarov, A.S. Ulrich, P.K. Mykhailiuk
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Antimicrobial peptide gramicidin S is accumulated in granules of producer cells for storage of bacterial phosphagens. Scientific Reports 7:44324 (2017)
M. Berditsch, M. Trapp, S. Afonin, C. Weber, J. Misiewicz, J. Turkson, A.S. Ulrich
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Orientation and location of the cyclotide kalata B1 in phospholipid bilayers revealed by solid-state NMR. Biophysical Journal 112, 630-642 (2017)
S.L. Grage, M.-A. Sani, O. Cheneval, S. Troeira Henriques, C. Schalck, R. Heinzmann, J.S. Mylne, P.K. Mykhailiuk, S. Afonin, I.V. Komarov, F. Separovic, D.J. Craik, A.S. Ulrich
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Room-temperature high-efficiency solid-state triplet–triplet annihilation up-conversion in amorphous poly(olefin sulfone)s. ACS Applied Materials Interfaces 8280–8286 (2017)
A. Turshatov, D. Busko, N. Kiseleva, S.L. Grage, I.A. Howard, B.S. Richards
