Kryoelekronenmikroskopische Methodenentwicklung zum Einfluss struktureller und nicht-struktureller Wassermoleküle am Beispiel des Apoferritins

Zusammenfassung:
Hintergrund: Das Verständnis der komplexen Organisation von Proteingemeinschaften in zellulären Zusammenhängen ist für die Aufklärung ihrer funktionellen Rolle von entscheidender Bedeutung. Proteomik und Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) haben sich zu leistungsfähigen Instrumenten zur Untersuchung dieser Gemeinschaften entwickelt und erzeugen riesige Datensätze, die eine fortschrittliche rechnerische Analyse erfordern. In früheren Arbeiten wurden Proteomik, Kryo-EM und künstliche Intelligenz (KI) kombiniert, um Proteinkomplexe in nativen Zellextrakten zu identifizieren.
Vorläufige Arbeit: Eine Reihe von Studien untersuchte die strukturellen Einblicke in zelluläre Komplexe. Mit Hilfe der Kryo-EM wurden Auflösungen von 3,35 bis 8 Å erreicht, was die Visualisierung von in Metaboliten eingebetteten Architekturen, die Organisation des Oxoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes (OGDHc) und Interprotein-Interaktionen innerhalb des Fettsäure-Synthase-Komplexes der Hefe ermöglichte. Um die strukturelle Charakterisierung zu verbessern, wurden fortschrittliche Berechnungsmethoden angewandt, darunter KI-basierte atomare Modellierung, de novo Sequenzidentifizierung und maschinelles Lernen.
Zielsetzung: Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, kryo-elektronenmikroskopische Methoden zur Untersuchung des Einflusses struktureller und nicht-struktureller Wassermoleküle innerhalb von Proteinkomplexen zu entwickeln, wobei Apoferritin als Modellsystem dient. Zu den Hauptzielen gehören eine hochauflösende Strukturanalyse und die Erweiterung unseres Verständnisses der durch Wasser vermittelten Wechselwirkungen innerhalb dieser Komplexe.
Methoden: Das Projekt integriert Kryo-EM-Techniken, Biochemie, Strukturbiologie und KI-gesteuerte Berechnungsansätze, um Apoferritin und seine Interaktionen mit Wassermolekülen zu untersuchen. Es werden hochauflösende Rekonstruktionen durchgeführt, um die Rolle des Wassers bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität und Funktion von Apoferritin zu ermitteln.
Auswirkungen: Die Ergebnisse dieser Forschung haben weitreichende Auswirkungen. Erstens erweitern sie unser Wissen über die strukturellen und funktionellen Aspekte von Proteinkomplexen, wobei der Schwerpunkt auf den durch Wasser vermittelten Wechselwirkungen liegt. Zweitens trägt sie zur Entwicklung von Kryo-EM-Methoden bei und erweitert deren Anwendung auf verschiedene biologische Systeme. Drittens werden die in diesem Projekt entwickelten fortschrittlichen Berechnungswerkzeuge für die breitere Strukturbiologiegemeinschaft von unschätzbarem Wert sein.
Ausrichtung auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung:
Keine Armut (SDG 1): Durch die Verbesserung unseres Verständnisses von Proteinkomplexen unterstützt diese Forschung die Entwicklung potenzieller Behandlungen und Medikamente und trägt so zu einer besseren Gesundheitsversorgung und zur Armutsbekämpfung bei.
Null Hunger (SDG 2): Die Erkenntnisse aus der Erforschung des Zellstoffwechsels können zu besseren landwirtschaftlichen Praktiken und Ernährungsstrategien führen und so zur Bekämpfung von Hunger und Ernährungssicherheit beitragen.
Gute Gesundheit und Wohlbefinden (SDG 3): Verbesserte Kenntnisse über Proteinkomplexe und durch Wasser vermittelte Wechselwirkungen können zur Entwicklung wirksamerer Methoden zur Vorbeugung und Behandlung von Krankheiten beitragen und so Gesundheit und Wohlbefinden fördern.
Hochwertige Bildung (SDG 4): Die Forschung bietet eine Grundlage für pädagogische Fortschritte in der Strukturbiologie und bei Computertechniken und unterstützt so eine hochwertige Bildung und die Verbreitung von Wissen.
Sauberes Wasser und sanitäre Einrichtungen (SDG 6): Die Erforschung von durch Wasser vermittelten Wechselwirkungen steht im Einklang mit der nachhaltigen Bewirtschaftung von Wasserressourcen und fördert das Ziel sauberen Wassers und sanitärer Einrichtungen.
Industrie, Innovation und Infrastruktur (SDG 9): Die Bemühungen des Projekts, Kryo-EM-Techniken zu verbessern und innovative Berechnungsmethoden zu entwickeln, tragen zum Ziel der Förderung von Industrie, Innovation und Infrastrukturentwicklung bei.
Verantwortungsvoller Konsum und Produktion (SDG 12): Das Verständnis komplexer Systeme kann zu nachhaltigeren und verantwortungsvolleren Konsum- und Produktionspraktiken führen, was mit diesem Ziel übereinstimmt.
Partnerschaften für die Ziele (SDG 17): Die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen ist für die Erreichung der Ziele für nachhaltige Entwicklung unerlässlich. Diese Forschung zeigt die Macht der multidisziplinären Zusammenarbeit bei der Verwirklichung dieser Ziele.

Summary:
Background: Understanding the complex organisation of protein communities in cellular contexts is crucial for elucidating their functional role. Proteomics and cryo-electron microscopy (cryo-EM) have become powerful tools for studying these communities, generating huge datasets that require advanced computational analysis. Previous work has combined proteomics, cryo-EM and artificial intelligence (AI) to identify protein complexes in native cell extracts.
Preliminary work: A series of studies investigated structural insights into cellular complexes. Using cryo-EM, resolutions of 3.35 to 8 Å were achieved, allowing visualisation of metabolite-embedded architectures, organisation of the oxoglutarate dehydrogenase complex (OGDHc) and interprotein interactions within the yeast fatty acid synthase complex. To improve structural characterisation, advanced computational methods were applied, including AI-based atomic modelling, de novo sequence identification and machine learning.
Objective: This research project aims to develop cryo-electron microscopic methods to study the influence of structural and non-structural water molecules within protein complexes, using apoferritin as a model system. The main goals include high-resolution structural analysis and expanding our understanding of water-mediated interactions within these complexes.
Methods: The project integrates cryo-EM techniques, biochemistry, structural biology, and AI-driven computational approaches to study apoferritin and its interactions with water molecules. High-resolution reconstructions will be performed to determine the role of water in maintaining the structural integrity and function of apoferritin.
Implications: The results of this research have far-reaching implications. First, it expands our knowledge of the structural and functional aspects of protein complexes, with a focus on water-mediated interactions. Second, it contributes to the development of cryo-EM methods and extends their application to different biological systems. Third, the advanced computational tools developed in this project will be invaluable to the broader structural biology community.
Alignment with the Sustainable Development Goals:
No poverty (SDG 1): By improving our understanding of protein complexes, this research supports the development of potential treatments and medicines, contributing to better healthcare and poverty alleviation.
Zero Hunger (SDG 2): Insights from research on cellular metabolism can lead to better agricultural practices and nutritional strategies, contributing to the fight against hunger and food security.
Good health and well-being (SDG 3): Improved knowledge of protein complexes and water-mediated interactions can contribute to the development of more effective methods to prevent and treat diseases, thus promoting health and well-being.
Quality education (SDG 4): Research provides a foundation for educational advances in structural biology and computational techniques, supporting quality education and the dissemination of knowledge.
Clean water and sanitation (SDG 6): Research on water-mediated interactions is consistent with the sustainable management of water resources and promotes the goal of clean water and sanitation.
Industry, Innovation and Infrastructure (SDG 9): The project's efforts to improve cryo-EM techniques and develop innovative computational methods contribute to the goal of promoting industry, innovation and infrastructure development.
Responsible consumption and production (SDG 12): Understanding complex systems can lead to more sustainable and responsible consumption and production practices, which is in line with this goal.
Partnerships for the Goals (SDG 17): Collaboration between different disciplines is essential to achieving the Sustainable Development Goals. This research demonstrates the power of multidisciplinary collaboration in achieving these goals.