Neue Ansätze zur Analyse von Kraftspektroskopiedaten und Aufdeckung von Energielandschaften

Die Zelle ist das strukturelle Bauelement von Leben. Um die Stoffwechselprozesse und damit verbundene Krankheiten verstehen zu konnen, ist es wichtig, die inter- und intramolekularen Wechselwirkungen zu verstehen. Dies tragt zur Entwicklung von Medikamenten bei, die an spezifische Ziele wie zum Beispiel ein Protein angreifen, um ungewollte Wechselwirkungen zu vermeiden, die zu Nebenwirkungen fuhren. Die Einzelmolekulkraftspektroskopie ist eine weitverbreitete Methode, inter- und intramolekulare Wechselwirkungen zu untersuchen. Dabei wird die Dissoziation der molekularen Wechselwirkung abhangig von einer externen Kraft beobachtet. Diese induzierte Dissoziation kann als thermisch aktivierter Zerfall uber eine Potentialbarriere der Energielandschaft, die die molekulare Wechselwirkung beschreibt, beschrieben werden, aber die Bestimmung und Interpretation der Parameter, die die Energielandschaft beschreiben, ist immer noch eine Herausforderung. Ich entwickle ein Modell, um durch einen Fit an die kraftabhangige Dissoziationsrate die Potentialbreite Dx0, die Barrierenhohe DG0 und die sogenannte "attempt frequency" v0 zu bestimmen. Dafur berucksichtige ich eine verallgemeinerte Abhangigkeit der Energielandschaft von der Wechselwirkungskoordinate, charakterisiert durch die Potenz n. Durch die Untersuchung des Modells mit simulierten Daten zeige ich eine lineare Abhangigkeit von Dx0 von der Fitpotenz auf. Gleichermasen weisen DG0 und v0 eine starke Abhangigkeit von der Fitpotenz auf. Dies fuhrt zu einer Unter- oder Uberschatzung der Parameter, wenn die falsche Fitpotenz gewahlt wird. Die Anwendung der Analysestrategie auf experimentelle Daten in Verbindung mit einer besseren Freely Jointed Chain-Fitroutine deckt eine bemerkenswert verkurzte Lebensdauer des R176A-DNA-Komplexes im Vergleich zur Bindung des Wildtyps an DNA auf. Nach einer weiterfuhrenden Analyse, ist diese Beobachtung als unspezifische Wechselwirkung der DNA mit Gold interpretiert, wahrend die Bindung der Mutante an die DNA komplett unterbrochen zu sein scheint. Das Rastersondenmikroskop ist eine der wenigen Methoden, die die Untersuchung der Entfaltung eines einzelnen Membranproteins erlaubt. Im zweiten Teil dieser Arbeit haben wir diese Methode das erste Mal verwendet, um den konzentrationsabhangigen Einfluss von kompatiblen Soluten auf die Entfaltung von Bacteriorhodopsin zu untersuchen. Die Analyse der einzelnen Entfaltungsschritte erlaubt einen Einblick in die Wechselwirkung der Osmolyte mit den verschiedenen Strukturelementen des Proteins. Die Dissoziationskraft zeigt fur jeden Entfaltungsschritt und jede Osmolytkonzentration dasselbe Muster. Wir konnten keine signifikante Entstehung von Zwischenschritten in der Entfaltung beobachten. Das fuhrt uns zu der Annahme, dass die Osmolyte nicht spezifisch an das Membranprotein binden. Auserdem konnten wir eine leichte Zunahme der Dissoziationskraft mit steigender Osmolytkonzentration beobachten, was auf den Stabilisierungseffekts von Osmolyten hinweist. Die Persistenzlange zeigt eine mogliche Reduzierung mit steigender Osmolytkonzentration. Dies weist auf eine steigende Tendenz des Proteins hin, sich auserhalb der Membran mehr zu winden, was die Ruckfaltung des Proteins in die Membran unterstutzt. Diese Ergebnisse versprechen ein verbessertes Verstandnis von inter- und intramolekularen Wechslewirkungen, das zu einem eventuellen Fortschritt in der Entwicklung von spezifischen Medikamenten beitragen wird.