Project

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

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.

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Last update: 28.11.2016

Active participation

Number	Title	Start	Funding scheme

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.