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Ultrafast Vibrational Spectroscopy of Allosteric Proteins

English title Ultrafast Vibrational Spectroscopy of Allosteric Proteins
Applicant Hamm Peter
Number 165789
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.01.2017 - 31.12.2019
Approved amount 773'577.00
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Keywords (5)

Infrared Spectroscopy; 2D IR spectroscopy; Protein Dynamics; Allostery; Ultrafast Spectrosocpy

Lay Summary (German)

Lead
Allosterie ist ein wichtiges Konzept in der Biochemie, das für die Regulation chemischer Prozesse in einer Zelle verantwortlich ist. Allosterische Proteine besitzen in der Regel zwei Bindungszentren; ein enzymatisches Zentrum, in dem ein bestimmtes Molekül chemisch modifiziert wird, sowie ein allosterisches Zentrum. In Abhängigkeit davon, ob ein bestimmtes anderes Molekül (Ligand) an dieses allosterische Zentrum bindet, wird die chemische Aktivität im enzymatischen Zentrum hoch- bzw. runtergefahren. Oft sind die beiden Bindungszentren relativ weit voneinander entfernt, und bis heute ist weitgehend unklar, wie sie miteinander „kommunizieren“. Man geht davon aus, dass ein Ligand im allosterischen Zentrum eine, wenn auch oft sehr kleine, strukturelle Veränderung des Proteins als Ganzes verursacht, die einen Einfluss auf die chemische Aktivität des enzymatischen Zentrums hat.
Lay summary

Lead

Allosterie  ist ein wichtiges Konzept in der Biochemie, das für die Regulation chemischer Prozesse in einer Zelle verantwortlich ist. Allosterische Proteine besitzen in der Regel zwei Bindungszentren; ein enzymatisches Zentrum, in dem ein bestimmtes Molekül chemisch modifiziert wird, sowie ein allosterisches Zentrum. In Abhängigkeit davon, ob ein bestimmtes anderes Molekül (Ligand) an dieses allosterische Zentrum bindet, wird die chemische Aktivität im enzymatischen Zentrum hoch- bzw. runtergefahren. Oft sind die beiden  Bindungszentren relativ weit voneinander entfernt, und bis heute ist weitgehend unklar, wie sie miteinander „kommunizieren“. Man geht davon aus, dass ein Ligand im allosterischen Zentrum eine, wenn auch oft sehr kleine, strukturelle Veränderung des Proteins als Ganzes verursacht, die einen Einfluss auf die chemische Aktivität des enzymatischen Zentrums hat.

 

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Wir entwickeln speziell designte Proteine und/oder Liganden, um mit Hilfe der zeitaufgelösten Infrarotspektroskopie die Ausbreitung eines Signals in einem Protein messen zu können. Dazu stören wir das Protein gezielt im Bereich des allosterischen Zentrums in dem wir z.B. einen durch einen kurzen Lichtblitz schaltbaren Liganden vom Protein dissoziieren, und messen die spektroskopische Antwort einer künstlichen Aminosäure mit einer sehr charakteristische Infrarotabsorptionsbande in Abhängigkeit vom Abstand vom allosterischen Zentrum.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Sehr viele Medikamente wirken, indem sie die allosterische Regulation bestimmter Proteine beeinflussen; z.B. indem sie das allosterisches Zentrum blockieren. Ein tieferes Verständnis des Mechanismus von Allosterie wird es erlauben, bessere Medikamente zu designen, anstelle, wie heute meist üblich, grosse Moleküldatenbanken zu screenen.    

Direct link to Lay Summary Last update: 21.07.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Photocontrolling Protein–Peptide Interactions: From Minimal Perturbation to Complete Unbinding
Jankovic Brankica, Gulzar Adnan, Zanobini Claudio, Bozovic Olga, Wolf Steffen, Stock Gerhard, Hamm Peter (2019), Photocontrolling Protein–Peptide Interactions: From Minimal Perturbation to Complete Unbinding, in Journal of the American Chemical Society, 141(27), 10702-10710.
Azidohomoalanine: A Minimally Invasive, Versatile, and Sensitive Infrared Label in Proteins To Study Ligand Binding
Zanobini Claudio, Bozovic Olga, Jankovic Brankica, Koziol Klemens L., Johnson Philip J. M., Hamm Peter, Gulzar Adnan, Wolf Steffen, Stock Gerhard (2018), Azidohomoalanine: A Minimally Invasive, Versatile, and Sensitive Infrared Label in Proteins To Study Ligand Binding, in The Journal of Physical Chemistry B, 122(44), 10118-10125.
Aqueous solvation from the water perspective
Ahmed Saima, Pasti Andrea, Fernández-Terán Ricardo J., Ciardi Gustavo, Shalit Andrey, Hamm Peter (2018), Aqueous solvation from the water perspective, in The Journal of Chemical Physics, 148(23), 234505-234505.
A non-equilibrium approach to allosteric communication
Stock Gerhard, Hamm Peter (2018), A non-equilibrium approach to allosteric communication, in Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 373(1749), 20170187-20170187.
2D-IR Spectroscopy of an AHA Labeled Photoswitchable PDZ2 Domain
Stucki-Buchli Brigitte, Johnson Philip J. M., Bozovic Olga, Zanobini Claudio, Koziol Klemens L., Hamm Peter, Gulzar Adnan, Wolf Steffen, Buchenberg Sebastian, Stock Gerhard (2017), 2D-IR Spectroscopy of an AHA Labeled Photoswitchable PDZ2 Domain, in The Journal of Physical Chemistry A, 121(49), 9435-9445.
Quantifying Biomolecular Recognition with Site-Specific 2D Infrared Probes
Johnson Philip J. M., Koziol Klemens L., Hamm Peter (2017), Quantifying Biomolecular Recognition with Site-Specific 2D Infrared Probes, in The Journal of Physical Chemistry Letters, 8(10), 2280-2284.
Solvation Layer of Antifreeze Proteins Analyzed with a Markov State Model,
Wellig Sebastian, Hamm Peter, Solvation Layer of Antifreeze Proteins Analyzed with a Markov State Model,, in J. Phys. Chem. B.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Gerhard Stock, University of Freiburg Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Amedeo Caflisch, University of Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
188694 Ultrafast Vibrational Spectroscopy of Allosteric Proteins (Extension) 01.01.2020 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Allostery is the coupling of two separated sites of a protein, where binding of a ligand at the so-called allosteric site changes the function of the protein at a remote active site. The very question how these two sites communicate with each other is largely unanswered and is an important topic that is heavily studied from many perspectives. Transient THz, IR and 2D IR spectroscopy provides the necessary time resolution and chemical selectivity to follow the propagation of a signal after an external perturbation, which we will induce by an ultrashort laser pulse at the allosteric site of an allosteric protein. In detail, we will use three complementary approaches:- Building on results from an expired ERC Advanced grant, we will vibrationally label a photo-switchable PDZ2 domain at various positions throughout the protein. In this case, the perturbation is induced via a photo-switch (i.e., a azobenzene-derivative), which cross-links the binding groove of that allosteric protein in a way that the \textit{cis-trans} isomerisation of the photo-switch induces a conformational change of the protein that mimics ligand binding. Transient IR and 2D IR spectroscopy of the vibrational labels will allow us to follow the pathway of the signal propagating through the protein.- The more direct way of measuring the protein response after ligand binding/unbinding requires a ligand whose binding affinity can be switched, i.e., with the photo-switch attached to the ligand. To that end, we will design a ligand that has a high binding affinity in the one state of the photo-switch and smaller binding affinity in the other state, so that activating the photo-switch will initiate ligand unbinding. The protein will again be vibrationally labeled and measured by transient IR and 2D IR spectroscopy.- By transient THz spectroscopy, we will experimentally test a previous hypothesis originating from molecular dynamics simulations, according to which the water solvation shell rearranges significantly upon switching the PDZ2 domain, despite the fact that the structural change of the protein is relatively small. We proposed that this rearrangement of the solvation layer is a possible mechanism of allostery. In this experiment, we will probe selectively the change of the hydrogen-bond network of waters in the solvation layer of the protein.We are convinced that these experiments, complemented with molecular dynamics simulations, will provide an unprecedented new view into the mechanism of allostery, and as such, eventually, pave the way for a more rational design of new drugs that interact with allosteric regulation networks.
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