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Site-specific probing of peptide conformational dynamics by transient CD spectroscopy in the deep ultraviolet

English title Site-specific probing of peptide conformational dynamics by transient CD spectroscopy in the deep ultraviolet
Applicant Helbing Jan
Number 192240
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 01.04.2020 - 31.03.2024
Approved amount 308'883.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Physical Chemistry
Biophysics

Keywords (4)

Zirkulardichroismus; Thiopeptide; Struktur von Biomolekülen; Laserspektroskopie

Lay Summary (German)

Lead
Proteine und Peptide werden oft als molekulare 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 räumlichen 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. Es gibt jedoch nur wenige Methoden, die für die Untersuchung von Biomolekülen in ‚lebensnaher‘ Umgebung (wässrige Lösung) zugleich eine hohe Zeit- und Strukturauflösung bieten, wie es für das bessere Verstehen ihrer Funktionsweise nötig ist.
Lay summary

UV-Zirkulardichroismus (CD-Spektroskopie im ultravioletten Spektralbereich) ist bereits eine Standardmethode der Biochemie für die Bestimmung der räumlichen Ausbildung (Sekundärstruktur und Faltung) von Proteinen und Peptiden. Sie wird bisher aber hauptsächlich ‚statisch‘ eingesetzt und kann wenig über schnelle, spezifische Veränderungen an Schlüsselstellen dieser Moleküle aussagen. Im Rahmen eines vorangegangenen Projekts (200021_169742) konnten wir ein Verfahren entwickeln, mit dem dies erstmals möglich ist: die Aminosäureketten werden zunächst durch Austauschen von nur zwei Atomen minimal modifiziert (zwei C=O Bindungen werden zu C=S Bindungen). Dadurch entsteht ein charakteristisches CD-Signal, das Auskunft über die Molekülstruktur in der Umgebung der ausgetauschten Atome gibt. Mit einem äusserst sensitiven Messaufbau können dann sehr schnelle Veränderungen dieses Signals mit kurzen Laserpulsen gemessen werden. Im laufenden Projekt soll dieses Verfahren nun auf verschiedene Peptide angewendet werden. Dabei konzentrieren wir uns zunächst auf sogenannte β-Turns, die Grundbausteine von ausgedehnten, flach angeordneten Peptidsträngen, den β-Faltblättern. Diese spielen eine grosse Rolle bei der schädlichen Misfaltung von Proteinen zu Fibrilen, die bei vielen neurodegenerativen Krankheiten beobachtet wird. Es gilt nicht zuletzt herauszufinden, wie sich der Austausch von Kohlenstoff- durch Stickstoffatome an verschiedenen Stellen auf die Strukturen und deren Stabilität auswirkt.

 In Zusammenarbeit mit einer amerikanischen Forschungsgruppe möchten wir im weiteren Verlauf auch entsprechend modifizierte Proteine untersuchen, die durch schnelle Temperaturänderung oder Lichteinwirkung ihre Struktur verändern, oder aber auch kleinere Peptide binden können.

Direct link to Lay Summary Last update: 30.03.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169742 Probing local peptide structure and dynamics with UV labels and non-linear spectroscopy 01.01.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Circular dichroism (CD), measured in the ultraviolet (UV), is highly sensitive to the relative orientation of peptide units, the individual building blocks of proteins. It is one of the few techniques providing good structural resolution in the natural aqueous environment, where conformations are continuously changing on timescales ranging from picoseconds to many seconds. However, the faster motions, which are often linked to biological functions, are usually averaged out. To avoid this, CD spectra should be measured with the high time-resolution provided by broadband ultrashort laser pulses, along with their intense probe-light for sensitive detection at intermediate timescales. In the course of the previous SNF-funded project “200021_169742/1 ‘Probing local peptide structure and dynamics with UV labels and non-linear spectroscopy’ we could for the first time probe the peptide backbone by ultrafast broadband CD spectroscopy in the deep UV. This was possible in combination with ‘UV-labelling’, the thio-substitution of two adjacent backbone carbonyls. When these labels are introduced into longer sequences, the CD signal and its changes in time become site-specific.The goal of the current project is to make use of this unique new method and study the backbone dynamics of peptides with secondary and tertiary structure.
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