Einfluss des Membranankers auf die Aktivität und Selektivität von Squalen-Hopen-Zyklasen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Hauer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524081117

Die Berücksichtigung der komplexen Membranumgebung ist von zentraler Bedeutung bei der Erforschung membrangebundener Enzyme, führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der isolierten Betrachtung dieser Proteine. Auch wenn durch neue Methoden die Erforschung dieser Enzyme als Teil eines komplexen Multikomponentensystems an Bedeutung gewinnt, so besteht doch weiterhin eine Asymmetrie In unserem Wissensstand zum Nachteil membrangebundener Proteine. Ein Beispiel für diese Wissenslücke stellt das fehlende Verständnis über die Regulierung von membrangebundenen Enzymen durch unterschiedliche Membraneigenschaften wie Zusammensetzung, Geometrie, oder biochemische und physikalische Eigenschaften dar. Um einen Teil dieser Wechselwirkung aufzuklären soll im Rahmen dieses Projektes der Membrananker monotopischer Proteine als mögliches Regulationselement untersucht werden. Als Modellsystem betrachten wir hierfür die monotopische Triterpenzyklase Squalen-Hopen-Zyklase (SHC). Diese Enzyme steuern die Membranfluidität durch die Produktion stark hydrophober Hopanoide um biologischen Stress auf den Wirtsorganismus entgegen zu wirken. Eine gengenseitige Beeinflussung der Membranfluidität und der Enzymaktivität von SHCs, erscheint daher naheliegend. Zur Stärkung dieser Hypothese konnten wir in vorherigen Studien beobachten, dass die promiskuitive Zyklisierung von E,E-Homofarnesol zu (-)-Ambrox im in vivo System einer Substratexzessinhibierung unterlag, die nicht für das gereinigte Enzyme beobachtet werden konnte. Durch Terpene verursachte lokale Störungen der Membran scheinen somit einen hemmenden Effekt auf die Aktivität der SHCs zur haben. Um die Rolle des Anker-Motivs bei dieser Wechselwirkung zu erörtern planen wir eine Sammlung an SHC Varianten zu generiert, deren Modifikationen sich auf dieses Motiv und die umgebenden Aminosäuren fokussieren. Diese Varianten werden zunächst anhand einer Reihe von Modellreaktionen auf Hinweise auf Veränderungen in der Membraninteraktion selektiert und anschließend durch Einbringen in E. coli oder Mykoplasmen mit veränderter Membranzusammensetzung charakterisiert. Es gilt zu untersuchen, ob die Modifikation des Membranankers die Interaktion zwischen Biomembran und enzymatischer Aktivität beeinflusst oder gar vollständig entkoppelt. In der Tat zeigte die vorherige Rekonstruktion der freien Energielandschaft des Wildtyps und im Labor entwickelter Varianten, dass verschiedene SHC-Varianten abweichende Konformationen der α-Helix aufweisen können, wenn sie in die Lipidmembran eingebettet sind. Unterstützend sollen ebenfalls weitere bioinformatische Untersuchungen der generierten Varianten unter Berücksichtigung des Membransystems durchgeführt werden um den Einfluss der Eingeführten Mutationen zu rationalisieren. Ein tieferes Verständnis dieser Wechselwirkung würde zu unserem Verständnis über Membranproteine beitragen und könnte ebenfalls Rückschlüsse auf die Regulierung weiterer monotopischen Membranproteine zulassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen