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Den photoaktivierbaren Schutzgruppen PPGs wurde als wichtige Werkzeuge, um z. B. biologische Prozesse zu untersuchen, in den letzten Jahren eine beachtliche Aufmerksamkeit zuteil. Der Einsatz von PPGs weist gegenüber chemischen Schutzgruppen wertvolle Vorteile auf, was deren Einsatz für biologische Konzepte attraktiv macht. Insbesondere, da keine weiteren Reagenzien außer Licht als Mittel für die Photolyse benötigt werden. Darüber hinaus ist es möglich, durch Einsatz moderner Lasertechnik, eine homogene Bestrahlung des Reaktionsvolumens mit einer hohen Lichtdosis auf einer, im Vergleich zu klassischen Lichtquellen, kürzeren Zeitskala zu gewährleisten.
Die Diversität der einsetzbaren photosensitiven Schutzgruppen, kommt einerseits der Vielfalt der anwachsenden biochemischen Fragestellungen insofern zugute, als dass die ausgewählten PPGs auf verschiedenste Anforderungen der zu untersuchenden Systeme zugeschnitten werden können. Anderseits kann die, durch einige Problemstellungen, erforderte chromatische Orthogonalität der eingesetzten Schutzgruppen, gewährleistet
werden, deren Umsetzung sich in den letzten Jahren in zahlreichen Studien als erfolgsversprechend erwies. Beide Aspekte sind unter anderem Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Zum einen sollte das Photocaged Puromycin als photolabiles Antibiotikum Derivat, mithilfe der Cumarinylmethyl-Schutzgruppe (DEACM-Puromycin) optimiert werden und mit dem vorherigen Nitrobenzyl-geschützten NVOC-Puromycin mittels spektroskopischer und biochemischer Methoden verglichen werden. Zum anderen sollte eine neue Strategie etabliert werden, mit deren Hilfe das photolytisch entschützte Puromycin erneut deaktiviert werden kann.
DEACM-Puromycin konnte mithilfe eines fünfstufigen Syntheseweges hergestellt werden. Ausgehend von 7-Amino-4-methylcumarin, dessen allylische Methylgruppe durch die Riley-Reaktion mit Selendioxid Se2O zum entsprechenden DEACM-Aldehyd oxidiert wurde und anschließende Reduzierung in Anwesenheit von NaBH4 zum Cumarinalkohol DEACM-OH. Eine nicht toxische Variante, bei welcher Selendioxid umgangen wurde, zeichnete sich ebenso als zielführend aus. DEACM-OH und Puromycin konnten im Anschluss über ein Carbonat-Intermediat miteinander als Carbamat verknüpft und mithilfe von HPLC aufgetrennt werden.
Die Vorrangigkeit des neuen photolabilen Puromycin Derivates (DEACM-Puromycin), wurde zuerst mithilfe der Laser-NMR-Spektroskopie sowie HPLC Verfahren erfasst. Spektroskopische Analysen im Rahmen einer Kollaboration mit dem AK von Professor Wachtveitl bestätigten, dass DEACM-Puromycin für biologische Anwendungen geeignetere photolytische Eigenschaften, wie z. B. einen höheren Extinktionskoeffizienten, eine bathochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums, sowie eine höhere Quantenausbeute und Uncaging Effizienz der Photolyse, aufwies. Basierend auf einer vergleichbaren HOMO-LUMO Differenz beider Verbindungen (DEACM-OH und DEACM-Puromycin), konnte die Spaltung der Schutzgruppe mithilfe der Differenz der Fluoreszenzslebensdauern mit einer Rate von 0,71*108 s-1 charakterisiert werden. Dies war im Vergleich zum vorherigen NVOC-Puromycin um eine Größenordnung höher. Weitere durchgeführte spektroskopische Methoden wurden mittels quantenchemischer Rechnungen unterstützt, um wichtige Erkenntnisse der kinetischen und dynamischen Abläufe der Photolyse des geschützten Puromycins anzueignen, z. B.:
• Der zur Photolyse von DEACM-Puromycin konkurrierende Fluoreszenzprozess, kann durch protische Medien unterdrückt werden. Dies und die somit ermöglichten Wasserstoffbrückenbindungen, welche die entstehenden ionischen Intermediate während der Photolyse stabilisieren, könnten sich für die Erhöhung der Quantenausbeute der photolytischen Abspaltung von DEACM-Puromycin zu Nutze gemacht werden.
• Anhand von Experimenten auf der ultrakurzen Zeitskala wurde die Population eines angeregten S1-ICT-Zustandes detektiert. Bei diesem findet, in Anwesenheit von polarem Lösungsmittel, einen Ladungstransfer der Diethylaminoreste auf den Cumarinring statt.
• Polare Lösungsmittel bewirken ebenfalls den Übergang zu einem TICT Zustand, welcher als nichtstrahlende Relaxation die Fluoreszenz des DEACM-Puromycins reduziert. Die Auswahl von Substituenten sowie polaren und protischen Lösungsmitteln zur Begünstigung der ICT- sowie TICT- Zustände, könnte zukünftig zur Optimierung der Photolyse Effizienz herangezogen werden.
Die gelungene Optimierung des geschützten Puromycins als ein photosensitives Antibiotikum, durch die DEACM-Schutzgruppe, konnte mittels eines XTT-Zellviabilität-Experimentes mit sf9-Insektenzellen nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte die lichtkontrollierte Puromycylierung zur Visualisierung neu synthetisierter Proteine als weitere Funktion des optimierten photoaktivierbaren Puromycins in Zusammenarbeit mit dem AK. Schumann (MPI für
Hirnforschung, Frankfurt am Main) nachgeprüft werden. Obwohl beide photocaged Verbindungen, DEACM- sowie das vorherige NVOC-Puromycin, eine vergleichbare Zellpermeabilität zu den präparierten Neurozellen aufwiesen, zeigte DEACM-Puromycin unter gleichen Bedingungen nach der Belichtung ein signifikant intensiveres Puromycylierungsignal als NVOC-Puromycin. Unter der Annahme, dass sich mehr NVOC- als DEACM-Puromycin in
den Zellen befand, bestätigt diese Beobachtung die Vorrangigkeit des DEACM-Derivates, aufgrund seiner bereits optimierten photochemischen Eigenschaften. Durch den Einsatz eines Zwei-Photonen-Lasers, konnte die Eignung von DEACM-Puromycin für die raumselektive Steuerung der Detektion von neu exprimierten Proteinen, mit größerer Auflösung auf subzellularem Level, nachgewiesen werden.
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The small photoreceptor Photoactive Yellow Protein (PYP) enters a reversible photocycle after excitation with blue light. The intermediate states are formed on timescales ranging from femtoseconds to seconds including chromophore isomerization and protonation as well as large structural rearrangements. To obtain local dynamic information the vibrational label thiocyanate (SCN) can be inserted site-specifically at any desired position in the protein by cysteine mutation and cyanylation. The label's CN stretch vibration is highly sensitive to polarity, hydrogen bonding interactions and electric fields and is spectrally well separated from the overlapping protein absorptions. During the course of this thesis it was impressively demonstrated that the successful incorporation of the SCN label at selected positions in PYP provides a powerful tool to study structure changes and dynamics during the photocycle and enhance the local information that are obtained by infrared (IR) spectroscopic methods. Hence the SCN-labeled protein mutants were studied under equilibrium (steady-state) and non-equilibrium conditions.
Examination of the SCN absorption by FTIR spectroscopy showed the influence of various local environments on the label for different locations in the dark state. The response of the label under illumination with blue light reveals information about structural changes in the signaling state. Additional information for both states were obtained by the vibrational lifetime of the CN vibration measured via ultrafast IR-pump-IR-probe experiments. This observable is particularly sensitive for solvent exposure of the label. Time-resolved IR spectroscopy proved to be an excellent method to follow the protein dynamics throughout most part of the photocycle on a hundreds of femtoseconds to milliseconds timescale. By close inspection of protein and chromophore dynamics in wildtype-PYP over nine decades in time, new insights into the changes leading to the proposed photocycle intermediates were obtained. The investigation of the SCN label allowed to follow the different transient structure changes with high local resolution. Depending on its position within the protein the response of the label provided additional information on the photocycle transitions.
The insights that are obtained by the different observables in the steady-state and by the reaction of the SCN label to formation of the different intermediate states during the photocycle contribute to an improved understanding of local, light-induced structure changes in the photoreceptor PYP. This comprehensive study demonstrated the potential provided by the application of SCN as IR label for investigation of protein dynamics.
Proteine sind die Maschinen der Zellen. Um die Funktionalität von zahlreichen zellulären Prozessen zu gewährleisten, müssen Kommunikationssignale innerhalb von Proteinen weitergeleitet werden. Die Weiterleitung einer Störung an einem Ort im Protein zu einer entfernten Stelle, an welcher sie strukturelle und/oder dynamische Änderungen auslöst, wird Allosterie genannt. Zunächst wurde Allosterie hauptsächlich mit großräumigen Konformationsänderungen in Verbindung gebracht, aber später entwickelte sich ein dynamischerer Blickwinkel auf Allosterie in Abwesenheit dieser großräumigen Konformationsänderungen. Die Idee eines allosterischen Pfades bestehend aus konservierten und energetisch gekoppelten Aminosäuren, welche die Signalweiterleitung zwischen entfernten Stellen im Protein vermitteln, entstand. Diese allosterischen Pfade wurden durch zahlreiche theoretische Studien in Zusammenhang mit Pfaden effizienten anisotropen Energieflusses gebracht. Der Energiefluss entlang dieser Netzwerke verknüpft allosterische Signalübertragung mit Schwingungsenergietransfer (VET - vibrational energy transfer). Die Großzahl der Forschungsarbeiten über dynamische Allosterie basiert auf theoretischen Methoden, weil nur wenige geeignete experimentelle Verfahren existieren. Um diesen essentiellen biologischen Prozess der Informationsübertragung besser verstehen zu können, ist die Entwicklung neuer und leistungsstarker experimenteller Instrumente und Techniken daher dringend erforderlich. Die vorliegende Dissertation setzt sich dies zum Ziel.
VET in Proteinen ist aufgrund der Proteingeometrie inhärent anisotrop. Alle globulären Proteine besitzen Kanäle effizienten Energieflusses, von denen vermutet wird, dass sie wichtig für Proteinfunktionen, wie die schnelle Ableitung von überschüssiger Wärme, Ligandenbindung und allosterische Signalweiterleitung, sind. VET kann mit zeitaufgelöster Infrarot (IR) Spektroskopie untersucht werden, bei welcher ein Femtosekunden Anregepuls eines Lasers Schwingungsenergie in ein molekulares System an einer bestimmten Stelle injiziert und ein, nach einem veränderbarem Zeitintervall folgender, IR Abfragepuls die Ausbreitung dieser Schwingungsenergie detektiert. Ein protein-kompatibler und universell einsetzbarer Chromophor, der die Energie eines sichtbaren Photons in Schwingungsenergie konvertiert, wird als Heizelement benötigt um langreichweitige VET Pfade in Proteinen kartieren zu können. Der Azulen (Azu) Chromophor eignet sich dafür, weil er nach Photoanregung des ersten elektronischen Zustandes durch ultraschnelle interne Konversion fast die gesamte injizierte Energie innerhalb von einer Picosekunde in Schwingungsenergie umwandelt. Eingebettet in die nicht-kanonische Aminosäure (ncAA - non-canonical amino acid) ß-(1-Azulenyl)-L-Alanine (AzAla), kann der Azu Rest in Proteine eingebaut werden. Die Ankunft der injizierten Schwingungsenergie an einer bestimmten Stelle im Protein kann mithilfe eines IR Sensors detektiert werden. Die Kombination aus Azu als VET Heizelement und Azidohomoalanine (Aha) als VET Sensor mit transienter IR (TRIR) Spektroskopie wurde schon erfolgreich an kleinen Peptiden in der Dissertation von H. M. Müller-Werkmeister getestet, die der vorliegenden Dissertation in den Laboren der Bredenbeck Gruppe vorausging.
Die Schwingungsfrequenz chemischer Bindungen ist hochempfindlich auf selbst kleine Änderungen der Konformation und Dynamik in der unmittelbaren Umgebung und kann mit IR Spektroskopie gemessen werden, z. B. mit Fourier Transform IR (FTIR) Spektroskopie. IR Spektroskopie bietet eine außergewöhnlich gute Zeitauflösung, die es ermöglicht, dynamische Prozesse in Molekülen auf einer Zeitskala von wenigen Picosekunden zu beobachten, wie z. B. die ultraschnelle Weiterleitung von Schwingungsenergie. Mit zweidimensionaler (2D)-IR Spektroskopie können die Relaxation von schwingungsangeregten Zuständen und strukturelle Fluktuationen um die schwingende Bindung untersucht werden. Allerdings geht die herausragende Zeitauflösung mit limitierter spektraler Auflösung einher. In größeren Molekülen mit zahlreichen Bindungen überlagern sich die Schwingungsbanden und die Ortsauflösung geht verloren. Um diese Limitierung zu überwinden, können IR Marker benutzt werden, chemische Gruppen, die in einer spektral durchsichtigen Region des Protein/Wasser Spektrums (1800 bis 2500 cm-1) absorbieren. Als ncAA können sie kotranslational in Proteine an einer gewünschten Stelle eingebaut werden und so ortsspezifische Informationen aus dem Proteininneren liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe, eines relativ großen Extinktionskoeffizientens (350-400 M-1cm-1) und einer hohen Empfindlichkeit auf Änderungen in der lokalen Umgebung sind organische Azide (N3) wie zum Beispiel Aha besonders geeignete IR Marker. Aha kann als Methionin Analogon ins Protein eingebaut werden.
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In optogenetischen Anwendungen, welche die Manipulation von zellulären Aktivitäten durch Licht ermöglichen, werden die Eigenschaften von mikrobiellen Rhodopsinen, einer Familie natürlich vorkommender lichtgesteuerter Proteine, ausgenutzt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die einwärts transportierende Protonenpumpe NsXeR, sowie die auswärts Natriumionenpumpe KR2 untersucht. Des Weiteren wurden Tandem Proteine betrachtet, die mikrobielle Rhodopsine kombinieren mit dem Chemokinrezeptor CXCR4, der durch SDF1 aktiviert und anschließend in Endosomen internalisiert wird.
Für die Untersuchung des Mechanismus, der die Vektorialität in NsXeR bestimmt, wurde eine umfassende elektrophysiologische Studie durchgeführt. In Patch Clamp Messungen an NsXeR exprimierenden NG108-15 Zellen wurden bei kontinuierlicher 561 nm Beleuchtung aktive Einwärtsströme entgegen eines elektrochemischen Gradienten gemessen. Ein Einfluss des intrazellulären pHs auf die steady-state Ströme und deren Abfallkinetik konnte nicht festgestellt werden. Der Vergleich der exponentiellen Abfallrate k2 mit den Übergängen im NsXeR Photozyklus, lässt den Schluss zu, dass der ratenlimitierende Schritt der MII Zerfall ist.
Die elektrogenen Schritte im NsXeR Photozyklus wurden mit elektrischen Messungen an der black lipid membrane (BLM) an NsXeR Proteoliposomen bestimmt. Die Belichtung mit 20 ns Lichtpulsen bei 556 nm rufen Spannungssignale hervor, die exponentiell gefittet wurden, wobei drei elektrogene Schritte identifiziert werden konnten. Bei pH 7.4 betrugen die ermittelten Zeitkonstanten etwa 220 µs, 1 ms und 15 ms, denen 42%, 10% und 48% an der Gesamtladungsverschiebung zugeordnet wurden. Die elektrogenen Schritte konnten den Übergängen im Photozyklus zugeordnet werden, wobei der erste Schritt mit t1 dem MI Aufbau (Deprotonierung Schiff’sche Base, Protonenabgabe zur intrazellulären Seite) zugeschrieben wurde. t2 wurde dem MI→MII Übergang (Switch, Zugänglichkeitsänderung vom Intra- zum Extrazellulären) zugeordnet und t3 korreliert mit dem MII Zerfall (Reprotonierung Schiff’sche Base, Protonenaufnahme von der extrazellulären Seite).
Die Kinetik und der Ladungstransportanteil des zweiten elektrogenen Schritts haben keine starke pH Abhängigkeit, was sich dadurch erklären lässt, dass t2 durch eine Konformationsänderung bestimmt wird. t1 und t3 werden bei höheren pH Werten beschleunigt, was sich bei t1 mit einer erleichterten intrazellulären Protonenabgabe erklären lässt. Für t3 wurde eine Reprotonierung durch eine Donor Gruppe Asp76 vorgeschlagen. Die pH-sensitive Änderung der relativen Ladungstransferanteile des ersten und dritten elektrogenen Schrittes (∆ΨI und ∆ΨIII) wurden durch eine mögliche Verzögerung der frühen Protonenabgabe bei niedrigen pH Werten erklärt.
Der mutmaßliche Protonenakzeptor Asp220 wurde gegen Asn und Glu ausgetauscht und in Patch Clamp sowie UV-Vis Spektroskopie Messungen untersucht. Für D220N wurden keine Pumpströme und kein Einfluss auf die maximale Absorptionswellenlänge λmax festgestellt. D220E dagegen führte zu einer Erniedrigung des pKa-Werts der Schiff’schen Base und zu einer Verminderung der Iss-Abfallsrate k2 in Patch Clamp Dauerbelichtungsmessungen (D220E k2 = 27.1 ± 1.8 Hz, Wildtyp k2 = 83.1 ± 2.6 Hz). Daraus konnte geschlossen werden, dass Asp220 wesentlich für den Protonentransport ist und nicht als Gegenion für die protonierte Schiff’sche Base dient.
In Patch Clamp Experimenten bei 561 nm Dauerbelichtung und zusätzlicher gepulster Belichtung bei 355 nm wurde der Blaulichteffekt an NsXeR untersucht, bei dem Proteine im M Intermediat ein Photon absorbieren und unter Reprotonierung der Schiff’schen Base in den Grundzustand zurückkehren.
Für NsXeR konnte eine Potentialabhängigkeit für die Richtung der transienten Ströme, die durch die
355 nm Belichtung hervorgerufen wurden, festgestellt werden. Beim NsXeR Blaulichteffekt scheint eine
Reprotonierung der Schiff’schen Base von beiden Seiten möglich zu sein, was auf die unterschiedlichen Zugänglichkeiten in den beiden M Zuständen MI und MII zurückgeführt wurde. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, welches auf einem potentialabhängigen Gleichgewicht zwischen MI und MII basiert.
In Patch Clamp Messungen an KR2 exprimierenden NG108-15 Zellen wurden die Pumpströme untersucht, die durch den auswärts Transport von Na+ und H+ hervorgerufen wurden. Die Na+-Konzentrationen der intra- und extrazellulären Lösungen wurden symmetrisch variiert und die steady-state Ströme Iss bei 532 nm Dauerbelichtung betrachtet. Mit steigender Na+-Konzentration zeigte sich ein Übergang von einer linearen Potentialabhängigkeit der Iss, zu einem sättigungsähnlichen Verhalten bis hin zu einer fast glockenförmigen Form. Da die exponentielle Abfallrate der steady-state Ströme k2 in ihrer Potentialabhängigkeit mit den Iss korrelierte, konnte geschlossen werden, dass die Ströme überwiegend kinetisch limitiert sind. Die Erhöhung der Rate k2 mit steigender Na+-Konzentration zwischen -120 mV und -60 mV deutet darauf hin, dass die Na+-Aufnahme von der intrazellulären Seite bei diesen Bedingungen die Limitierung für die Pumpe darstellt.
Unter Na+-“freien” Bedingungen wurde der Einfluss des intrazellulären pHs untersucht. Für die Rate k2 wurde eine Erhöhung bei niedrigen pH Werten festgestellt und die Potentiale E0 (Iss = 0 pA) verschoben bei niedrigem intrazellulärem pH zu hyperpolarisierenden Potentialen. Daraus lässt sich schließen, dass die steady-state Ströme durch den Transport von Protonen hervorgerufen wurden.
In Messungen mit gepulster 530 nm Belichtung wurden die transienten Pumpströme gemessen und durch exponentielles Fitten des Stromabfalls drei elektrogene Schritte identifiziert. Eine Abhängigkeit vom Potential und der Na+-Konzentration konnte nur für den dritten Schritt mit der Rate 1/τ3 festgestellt werden, wobei 1/τ3 mit der Na+-Konzentration und bei positiveren Potentialen steigt. Unter Na+-“freien” Bedingungen steigt 1/τ3 auch mit niedrigeren intrazellulären pH Werten. Die elektrogenen Schritte wurden dem KR2 Photozyklus zugeordnet, wobei ein Modell angewendet wurde, das einen M1→M2 Übergang einführt. Diesem wurde der zweite elektrogene Schritt zugeordnet. Die relativen Ladungstransportanteile Q2 und Q3 des zweiten und dritten elektrogenen Schrittes sind sowohl potential- als auch Na+-abhängig. Um dieses Verhalten zu erklären, wurde ein Modell vorgeschlagen, bei dem ein Ausgleichsladungstransfer in Form von einer Protonenabgabe und -wiederaufnahme während des Photozyklus eingeführt wurde.
In Patch Clamp Messungen wurde die erhaltene Funktionalität der ChR2 Mutante ChR2(L132C) mit erhöhter Ca2+-Permeabilität im Tandem Protein tCXCR4/CatCh nachgewiesen. Auch die Internalisierung von tCXCR4/CatCh konnte anhand der zeitabhängigen Abnahme des CatCh-Signals nach der CXCR4-Aktivierung durch SDF1 in Strommessungen beobachtet werden. Für tCXCR4/Arch, ein Tandem Protein mit einer Protonenpumpe, wurde die SDF1-induzierte Internalisierung mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie betrachtet und eine Kolokalisierung der Fluoreszenz des im Tandem exprimierten YFP und der eines gelabelten CXCR4-spezifischen Antikörpers in intrazellulären Vesikeln beobachtet. Bei Behandlung mit dem CXCR4 Antagonisten AMD3100 wurde die Kolokalisierung hauptsächlich in der Zellmembran festgestellt, da die Internalisierung blockiert war. Die Tandem Protein könnten als in intrazellulären Organellen wirkende optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden für z.B. die Manipulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration.