SFB 533 "Lichtinduzierte Dynamik von Biopolymeren" (abgeschlossen)

Ort

München

Laufzeit

1997–2007

Sprecher

Prof. Dr. Hugo Scheer

Website

http://www.botanik.biologie.uni-muenchen.de/sfb533/german/

Zusammenfassung auf Deutsch

Der 1997 gegründete Sonderforschungsbereich 533 „Lichtinduzierte Dynamik von Biopolymeren“ befasst sich vorwiegend mit den grundlegenden, für viele Funktionen essentiellen dynamischen Prozessen in Proteinen; seit 2003 sind davon ausgehend auch Anwendungen einbezogen. In der sehr diversen Klasse der Biopolymere findet man neben der strukturellen Hierarchie auch eine dynamische, die wir intensiv untersucht haben und die wir jetzt auf molekularer Ebene zu verstehen beginnen: Sie umfasst viele Größenordnungen in der Zeit, von Fluktuationen der Kernkoordinaten auf der Femtosekunden-Zeitskala, über Relaxationen als Folge von Störungen im Pikosekunden- und Nanosekundenbereich bis hin zu Faltungs- und Entfaltungsreaktionen und Protein-Protein Interaktionen im Sekundenbereich. In die vorangegangenen drei Förderperioden fielen innerhalb wie außerhalb dieses SFB wesentliche experimentelle und theoretische Entwicklungen, die das von uns verfolgte Konzept bestätigen und einer breiteren Entwicklung zum Verständnis funktionsrelevanter dynamischer Strukturänderungen in einem Zeitbereich von etwa 15 Größenordnungen den Weg bereitet haben. 

Auf breiter Basis wird nun an geeigneten Chromoproteinen und Modellmolekülen versucht, die Dynamik der elementaren molekularen Vorgänge im schnellsten, heute gerade zugänglich werdenden Bereich bis hin zur Änderung globaler Eigenschaften experimentell zu verfolgen und theoretisch zu verstehen. Den Chromophoren kommt dabei eine doppelte Funktion zu: Sie dienen als schnelle Auslöser von Störungen, und sie sind gleichzeitig aufgrund ihrer häufig sehr engen Kopplung an das Protein auch empfindliche und schnelle Sonden für Strukturänderungen. Die Systeme sind dabei im wesentlichen so gewählt, dass

1. ihre dreidimensionalen Strukturen bekannt oder in Kürze zu erwarten sind, dass sie
2. gezielt modifizierbar sind, dass
3. in ihnen in der Regel eine schnelle, wohldefinierte Störung gesetzt werden kann, dass
4. die freien Chromophore parallel untersucht werden können, dass
5. die Reaktion darauf ebenso wie Strukturfluktuationen mit einer Kombination von spektroskopischen und mikroskopischen Techniken vom Femtosekunden- bis in den Sekundenbereich verfolgt und
6. die Ergebnisse einer theoretischen Analyse unterzogen werden können.

Verschiedene Familien ausgewählter Chromoproteine werden in „Clustern“ bearbeitet (siehe Tabelle). Diese vereinigen jeweils Teilprojekte aus den drei Projektbereichen A (Biochemie und statische Charakterisierung), B (Dynamik) und C (Theorie). Untereinander sind diese Cluster vor allem methodisch und erkenntnistheoretisch vernetzt (siehe Netzplan). Von anfänglich fünf Clustern war die Zahl in der zweiten Förderperiode auf sieben, in der dritten auf acht angestiegen.

Summary in English

The SFB (Sonderforschungsbereich, special research project) 533

“Light-induced Dynamics of Biopolymers” has been founded in 1997. It is focused on the basic dynamic processes in proteins, which are essential for their function, and on applications thereof. In this diverse class of biopolymers, there exist not only a structural, but also a dynamic hierarchy. This is investigated on the molecular level. The time scales of these dynamics encompass many orders of magnitude, from fluctuations of the nuclear coordinates on a timescale of femtoseconds, over perturbation induced relaxations mainly in the picosecond and nanosecond time regime, to folding/unfolding reactions and protein-protein interactions in the time-scale up to seconds and longer. During the past 3 granting periods, the field has seen tremendous experimental and theoretical developments, which support the concept of the SFB 533. They are paving the way to a basic understanding of structural dynamics relevant to the function of proteins in a time regime extending over 15 orders of magnitudes.

Using suitable chromoproteins and models, the SFB attempts to understand, experimentally and theoretically, the elemental molecular processes on the fastest accessible times up to the changes of the macroscopic properties. Based on the tight coupling of the chromophores to the apoproteins, they have a dual function: as ultra-fast triggers of perturbations, and as probes for the ensuing structural changes. The systems have been chosen by the following criteria:

1. the 3-dimensional structures should be known or expected in the near future;
2. they should be modifiable in a directed way;
3. they can be subjected to temporally and spatially well defined perturbations;
4. the respective chromophores are accessible as isolated molecules for model investigations;
5. the subsequent reactions as well as structural fluctuations can be followed over a broad time-range with spectroscopic and microscopic techniques;
6. the systems are amenable to a theoretical treatment.

Work on several families of suitable chromoproteins is grouped in clusters (see table). Each cluster encompasses projects of sections A (biochemistry and static characterization), B (dynamics) and C (theory), together they form a network that is linked conceptually and methodologically in many ways (see matrix).