Project

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Probing local peptide structure and dynamics with UV labels and non-linear spectroscopy

English title Probing local peptide structure and dynamics with UV labels and non-linear spectroscopy
Applicant Helbing Jan
Number 169742
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 - 31.03.2020
Approved amount 210'463.00
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Keywords (6)

thiopeptides; ultrafast spectroscopy; circular dichroism; conformational dynamics; exciton coupling; peptide structure

Lay Summary (German)

Lead
Proteine und Peptide werden oft als Maschinen bezeichnet, die in lebenden Zellen die Arbeit verrichten. Ihre sehr spezifischen Funktionen, zum Beispiel das Erkennen oder Umwandeln einer Substanz, ist eng mit der Struktur verknüpft, die diese langen Ketten von Aminosäuren ausbilden. Möchten wir untersuchen, wie diese Moleküle „ihre Arbeit verrichten“, müssen wir sie beobachten können, während sie ihre Struktur verändern. Um ganz schnelle Prozesse zu untersuchen, kann die Absorption von Licht mit ultrakurzen Laserpulsen gemessen werden. Um die Strukturänderungen zu lokalisieren, werden Marker in die Biomoleküle eingebracht, deren Absorptionsspektrum aus dem des restlichen Moleküls heraussticht.
Lay summary

In diesem Projekt möchten wir den Einsatz von „UV-Markern" erforschen, die durch den Austausch von lediglich einem Atom im Rückgrat eines Peptids erzeugt werden können. Dabei entsteht eine neue Absorptionsbande bei einer Wellenlänge, bei der das übrige Molekül fast durchsichtig ist, und für die bereits kurze Laserpulse mit allen nötigen Eigenschaften erzeugt werden können. So werden wir in der Lage sein, fortgeschrittene Messmethoden, wie die mehrdimensionale Spektroskopie oder zeitaufgelöste CD Spektroskopie anzuwenden, die sehr viel mehr Information über Strukturveränderungen liefern können als einfache Absorptionsänderungen. Insbesondere soll durch Synthese einer Reihe von Modellmolekülen der genaue Zusammenhang zwischen den so gemessenen Signalen und der zugrundeliegenden Struktur erarbeitet werden. Wir hoffen, damit auch zur Entwicklung dieser Lasertechniken im UV-Spektralbereich beizutragen und ihren Einsatz bei biochemischen Fragestellungen voranzutreiben.

Die Möglichkeit, gleichzeitig eine hohe Zeitauflösung (die der atomaren Bewegung) und eine hohe Ortsauflösung (idealerweise einzelne Atome oder Molekülgruppen) bei der Beobachtung von chemischen und biochemischen Prozessen zu erzielen, war schon immer das grosse Ziel der Ultrakurzzeitspektroskopie. Diesem Ziel wollen wir uns von einer bisher unerforschten Seite annähern. Unsere Herangehensweise kann insbesonder hilfreich sein bei der Untersuchung von Fibrilbildung, also der Aggregation von Proteinen, die mit vielen neurodegenerativen Krankheiten in Verbindung steht. Ebenso kann sie neue Einblicke ermöglichen, wie flexibel Proteine aneinander binden, und so einem elementaren Schritt in der Biochemie von Zellen besser verstehen helfen.

Direct link to Lay Summary Last update: 28.11.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Broad-Band Ultraviolet CD Spectroscopy of Ultrafast Peptide Backbone Conformational Dynamics
Oppermann Malte, Spekowius Jasmin, Bauer Benjamin, Pfister Rolf, Chergui Majed, Helbing Jan (2019), Broad-Band Ultraviolet CD Spectroscopy of Ultrafast Peptide Backbone Conformational Dynamics, in The Journal of Physical Chemistry Letters, 10(11), 2700-2705.
Ultrafast broadband circular dichroism in the deep ultraviolet
Oppermann Malte, Bauer Benjamin, Rossi Thomas, Zinna Francesco, Helbing Jan, Lacour Jérôme, Chergui Majed (2019), Ultrafast broadband circular dichroism in the deep ultraviolet, in Optica, 6(1), 56-56.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. M. Chergui, EPFL Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Karl Gademann, UZH Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Vibrational Dynamics Workshop, Telluride Science Research Center Talk given at a conference Exploiting symmetry breaking 07.07.2019 Telluride, CO, United States of America Helbing Jan;
17th International Conference on Chiroptical Spectroscopy Poster Ultrafast time-resolved CD spectroscopy of peptide backbone conformation 24.06.2019 Pisa, Italy Spekowius Jasmin;
Institute Seminar, Laboratory for Optics and Bioscience Individual talk Chiral vs multidimensional spectroscopy of biomolecules: IR and UV spectral labeling 06.06.2019 Palaiseau, France, France Helbing Jan;
LACUS day 2019 Poster Broadband UV-CD and 2D-UV spectroscopy of ultrafast peptide backbone conformational dynamics 28.02.2019 Lausanne, Switzerland Spekowius Jasmin;
NCCR MUST Annual Meeting 2019 Poster Ultrafast broadband UV-CD and 2D-UV spectroscopy 14.01.2019 Grindelwald, Switzerland Spekowius Jasmin; Helbing Jan;
International Symposium on Ultrafast Science Talk given at a conference Exploring new ways at old wavelengths – molecular structure and dynamics form chiral and multidimensional spectroscopy 28.11.2018 Lausanne, Switzerland Helbing Jan;
15. Annual Doktorandentag (Graduate School Chemical Molecular Sciences, UZH) Poster Ultrafast deep-UV 2D and transient CD spectroscopy of peptide backbone conformation 03.07.2018 Zürich, Switzerland Spekowius Jasmin;
NCCR MUST Annual Meeting 2018 Poster Ultrafast deep-UV 2D and transient CD spectroscopy of peptide backbone conformation 22.01.2018 Grindelwald, Switzerland Spekowius Jasmin; Helbing Jan;
4th International Conference on Ultrafast Structural Dynamics Talk given at a conference Ultrafast deep-UV 2D and transient CD-spectroscopy of peptide backbone conformation 04.12.2017 Trieste, Italy Spekowius Jasmin; Helbing Jan;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
107492 Femtosecond vibrational spectroscopy: conformational dynamics of photoswitchable peptides, nonlinear solvation and IR-driven photochemistry 01.04.2005 Project funding (Div. I-III)
143487 Time-resolved vibrational circular dichroism and vibrational rotary dispersion spectroscopy 01.12.2012 Project funding (Div. I-III)
192240 Site-specific probing of peptide conformational dynamics by transient CD spectroscopy in the deep ultraviolet 01.04.2020 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The desire to obtain site-specific information during folding, conformational transitions, solvation or signal transduction in biopolymers has produced a library of spectroscopic labels for equilibrium and photo-triggered experiments. Prominent examples are fluorescence markers and quenchers, which make it possible to investigate distance and orientation fluctuations down to the single molecule level. To follow dynamics on a (sub)-nanosecond timescale, on the other hand, detecting spontaneous fluorescence is usually not sufficient and faster probing methods are needed. Time-resolved infrared spectroscopy, for example, is sensitive to picosecond dynamics, which it can interrogate locally via site-specific vibrational modes. Suitable IR-transitions can be created by isotope labelling or by introducing specific IR-labels, which exhibit infrared bands in spectral regions not contaminated by the bulk molecule or the solvent. Interactions between adjacent labels (coupling, energy transfer) and the relative orientation of their transition dipole moments can even provide direct structural information. In this context we have also attempted in recent years to introduce transient vibrational circular dichroism as a new probe of local structural change.The downside of vibrational probes is that transition dipole moments are usually small and couplings rather weak and of short range. This is very different for electronic transitions in the UV, which are, on the other hand, much more difficult to localize within specific molecular units. Sparsely occurring amino acid residues with aromatic side chains like Tryptophan are one exception, and they have already served as local probes for ultrafast energy and charge transfer in proteins. Here we propose to use thio-substituted amino acids, which directly “label” the backbone of a polypeptide or protein by red-shifting its strong pi-pi* transition from 200 nm to 270 nm. In the past, we photo-triggered conformational change in small peptides by cis-trans isomerization of the thiopeptide bond. In the meantime, methods have been developed by which thioamide bonds can be introduced at various positions in much larger proteins. In addition, multidimensional spectroscopies have been extended into the deep UV-range. In this project we intend to combine non-linear spectroscopy and the site-specific UV absorption and circular dichroism of single and multiple interacting thioamide labels to develop new probes for conformational changes and structure fluctuations in peptides.
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