Untersuchung und Vorhersage spektroskopischer Signaturen biomolekularer Systeme mittels anpassungsfähiger quantenchemischer Methoden

• Antragstellerin: Professorin Dr. Carolin König
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397897341

Spektroskopische Methoden sind unentbehrliche Instrumente in vielen Bereichen der Naturwissenschaften. Die Anwendung dieser Methoden auf biomolekulare Systeme stützt sich auf Computer-chemische Methoden. Diese sind nötig um experimentelle Ergebnisse auf molekularer Ebene zu interpretieren. Quantenchemische Methoden bilden daher unverzichtbare Ergänzungen zum Experiment. Die Berechnung von Spektren biomolekularer Systeme stellt allerdings große Herausforderungen an heutige quantenchemische Methoden. Dies ist bedingt durch die Größe der Systeme und die erforderliche Genauigkeit der Ergebnisse. Sogenannte Multi-Skalen Methoden haben sich als sehr erfolgreich im Bereich der theoretischen optischen Spektroskopie erwiesen. In Multi-Skalen Methoden kann die theoretische Beschreibung und damit der Rechenaufwand unterschiedlicher Bereiche eines komplexen Problems individuell an die Fragestellung angepasst werden: Z.B. kann ein Chromophor genau beschrieben werden während der Effekt seiner Umgebung nur angenähert wird. Für anharmonische Schwingungswellenfunktionen sind derartige Methoden derzeit kaum entwickelt. Sie haben jedoch ein großes Potenzial genaue Berechnungen von Schwingungsspektren komplexer Biomoleküle zu ermöglichen. Dieses Potenzial soll im vorliegenden Forschungsprogramm erforscht und ausgenutzt werden. Für die Anwendung von Multi-Skalen Methoden für Schwingungswellenfunktionen werden zudem elektronische Multi-Skalen und Fragment-Methoden unabdinglich sein, da diese eine effiziente Berechnung der zugrundeliegenden Potentialhyperfläche gewährleisten. Das vorliegende Forschungsprogramm wird sich außerdem mit einigen offenen Fragen bzgl. Multi-Skalen Methoden zur Berechnung von Fluoreszenzspektren beschäftigen.Die neuen Methoden werden in der Lage sein, die folgenden Fragestellungen in der Spektroskopie biomolekularer Systeme mit quantenchemischen Methoden zu untersuchen und somit verlässliche Aussagen über die Interpretation der Spektren zu machen. (i) Wie können ein- und zweidimensionale Schwingungsspektren verlässlich bestimmten Konformationen von Proteinen und Wasserstoffbrücken-Netzwerken zugeordnet werden?(ii) Was sind die molekularen Mechanismen der Unterscheidung verschiedener Amyloidfibrille durch fluoreszierende Oligothiophen-Biomarker?Punkt (i) ist von grundlegendem Interesse: Eine detaillierte Kenntnis der Proteinkonformation ist zur Untersuchung der Proteinfunktion unabdinglich und Wasserstoffbrücken spielen hier oft eine entscheidende Rolle. Fluoreszierende Biomarker [Punkt (ii)] sind vielversprechende Kandidaten für die spektrale Diskriminierung von Amyloid-Protein Missfaltungen und damit für eine verbesserte Frühphasenerkennung von Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson. Mit dem zu entwickelnden Protokoll, werden wir in der Lage sein zum rationalen Design neuer Biomarker beizutragen. In beiden spektroskopischen Feldern werden wir eng mit Experimentatoren zusammenarbeiten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Computercluster
• Gerätegruppe: 7030 Dedizierte, dezentrale Rechenanlagen, Prozeßrechner