Quantifizierung der Proteinfaltungsmechanismen
Proteine sind verzweigte dreidimensionale (3D) Strukturen aus Aminosäureketten (ihre Primärstruktur). Die Ketten falten sich und bilden ein Faltblatt oder eine Helix (Sekundärstruktur) bzw. komplexere geometrische Anordnungen, die direkt mit ihren Funktionen in Zusammenhang stehen (Tertiär- und Quartiärstruktur). Es wird angenommen, dass die Methode, mit der ein Protein seine letztendliche Anordnung erreicht, von seiner sogenannten freien Energielandschaft gesteuert wird. Die Theorie der Energielandschaft behauptet, dass die primäre Sequenz eines Proteins seine Landschaft freier Energie definiert, die wiederum seinen Faltungspfad und die Faltungs- und Entfaltungsgeschwindigkeit festlegt. Der Pfad zum Gleichgewichtszustand eines Proteins (sowie die Eigenschaften des Endzustands selbst) wird von Bergen und Tälern in der Energielandschaft bestimmt. Spektrin ist der Hauptbestandteil eines Proteinnetzwerks, mit dem die Innenseite der roten Blutzellen (Erythrozyten) ausgekleidet ist und von dem angenommen wird, dass für ihre Form verantwortlich ist (es ist Bestandteil des Cytoskeletts). Es bildet ein Knäul aus drei Helices, wobei sich die drei verschiedenen Domänen (R15, R16 und R17) trotz ihrer offensichtlich identischen Strukturen und Eigenschaften mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit in ihre native Konformationen falten. Es gibt Hinweise darauf, dass diese unterschiedlichen Faltgeschwindigkeiten durch die Vielfalt bei der "Rauheit" der Energielandschaft erklären lassen – langsam faltende Domänen (R16 und R17) haben raue, während schnell faltenden R15 eine glatte Landschaft besitzen. Die gegenwärtigen Erkenntnisse über die Rauheit der Energielandschaft stammen hauptsächlich aus der Theorie und von Computermodellen. Europäische Forscher untersuchten die Energielandschaft dieser drei Spektrin-Domänen direkt. Dank der im Rahmen des Projekts "Spectrinroughness" bereitgestellten Finanzmittel konnten die Wissenschaftler mit Hilfe modernster Spektroskopie-Einzelmolekülverfahren (Einzelmolekül-Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer, smFRET, und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, FCS) in Verbindung mit neuen mathematischen Analysen die Rauheit der Energielandschaft experimentell quantifizieren. Das Projekt "Spectrinroughness" hat bereits die ersten Messergebnisse für einen ungefalteten nativen Zustand bestimmter Parameter in Verbindung mit der Faltung hervorgebracht. Weitere Forschungsarbeiten werden zweifellos neue experimentelle Daten und Beschreibungen der Rauheit der Energielandschaft sowie Instrumente und Anwendungen für biophysikalische Einzelmolekülverfahren liefern.
