Gefaltete Peptide sind elektrisch leitfähiger als ungefaltete Peptide, zeigt eine Studie

Was verleiht Peptiden den elektronischen Schwung? Eine gefaltete Struktur, so eine neue Studie im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Der Elektronentransport, der Energie erzeugende Prozess in lebenden Zellen, der Photosynthese und Atmung ermöglicht, ist in Peptiden mit kollabierter, gefalteter Struktur verstärkt. Interdisziplinäre Forscher am Beckman Institute for Advanced Science and Technology kombinierten Einzelmolekülexperimente, molekulardynamische Simulationen und Quantenmechanik, um ihre Ergebnisse zu bestätigen.

„Diese Entdeckung bietet ein neues Verständnis davon, wie Elektronen durch Peptide mit komplexeren Strukturen fließen, und bietet gleichzeitig neue Möglichkeiten für die Entwicklung effizienterer molekularer elektronischer Geräte“, sagte der leitende Forscher Charles Schroeder, James Economy Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign.

Proteine ​​sind in allen lebenden Zellen vorhanden und von wesentlicher Bedeutung für Zellaktivitäten wie Photosynthese, Atmung (Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlendioxid) und Muskelkontraktion.

Chemisch gesehen sind Proteine ​​lange Sequenzen von Aminosäuren, die wie Weihnachtslichter aneinandergereiht sind, wobei die verschiedenen Farben unterschiedliche Aminosäuren wie Tryptophan und Glutamin repräsentieren.

In der einfachsten Form eines Proteins (seiner Primärstruktur) liegt die Aminosäurekette flach. Aminosäuren neigen jedoch dazu, sich zu vermischen. Wenn sie miteinander interagieren, verheddert sich die Kette, was zu einem strukturellen Zusammenbruch führt, der als Proteinfaltung (oder Sekundärstruktur) bezeichnet wird.

Die Forscher gingen der Frage nach, ob und welchen Einfluss die Struktur eines Proteins auf seine Fähigkeit zur Stromleitung hat – eine Frage, die in der vorhandenen Literatur nicht eindeutig beantwortet wird.

Rajarshi „Reeju“ Samajdar, ein Doktorand der Schroeder-Gruppe, untersuchte dieses Proteinproblem geduldig, indem er an jeweils einem Molekül experimentierte. Aber Samajdar untersuchte überhaupt keine Proteine. Stattdessen konzentrierte er sich auf Peptide, Proteinfragmente mit einem Bruchteil der Aminosäuren.

Für diese Studie verwendete Samajdar Peptide mit etwa vier oder fünf Aminosäuren, was eine detailliertere Beobachtung ermöglichte, sagte er.

Samajdar bemerkte etwas Überraschendes: Gestreckte Peptide mit einer Primärstruktur schienen weniger effektive Energieleiter zu sein als ihre gefalteten Gegenstücke mit einer Sekundärstruktur. Der starke Unterschied im Verhalten der Peptide in jedem Zustand weckte seine Neugier.

„Peptide sind sehr flexibel. Wir wollten verstehen, wie sich ihre Leitfähigkeitseigenschaften ändern, wenn man sie ausdehnt und die Peptide von einer gefalteten Sekundärstruktur in eine gestreckte Konformation übergehen. Interessanterweise sah ich einen deutlichen Sprung zwischen diesen beiden Strukturen, mit jeweils unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften“, sagte Samajdar.

Um seine Beobachtungen zu überprüfen, wandte sich Samajdar an Moeen Meigooni, einen wissenschaftlichen Mitarbeiter, der mit Emad Tajkhorshid, einem Beckman-Forscher, Professor und Inhaber des J. Woodland Hastings-Stiftungslehrstuhls für Biochemie zusammenarbeitet.

Das Team simulierte das Konformationsverhalten der Peptide mithilfe von Computermodellen und bestätigte die ruckartigen Strukturverschiebungen, die Samajdar beobachtet hatte.

Die Forscher ließen keine wissenschaftlichen Geheimnisse unversucht und arbeiteten mit Martin Mosquera, einem Assistenzprofessor für Chemie an der Montana State University, und Nicholas Jackson, einem Beckman-Forscher und Assistenzprofessor für Chemie in Illinois, zusammen, um mithilfe quantenmechanischer Berechnungen zu bestätigen, dass diese beiden diskreten Strukturen tatsächlich mit den Änderungen der Leitfähigkeit in Zusammenhang stehen.

„Wir glauben, dass unser Ansatz, der Einzelmolekülexperimente, Strukturmodellierung mit Molekulardynamik und Quantenmechanik kombiniert, ein sehr leistungsfähiger Ansatz zum Verständnis der Molekularelektronik ist“, sagte Samajdar. „Wir hätten direkt zur Quantentheorie übergehen können, aber das haben wir nicht getan. Der Teil der Computersimulation ermöglichte es uns, den gesamten Konformationsraum der Peptide zu untersuchen.“

Die dreifach überprüften Ergebnisse der Forscher zeigen, dass Peptide mit einer gefalteten Sekundärstruktur Strom besser leiten als Peptide mit einer entfalteten Primärstruktur. Die spezifische Sekundärstruktur, die sie beobachteten, bildete eine Form, die als 310-Helix bezeichnet wird.

Da diese Arbeit an Peptiden durchgeführt wurde, tragen die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis des Elektronentransports in größeren, komplexeren Proteinen und anderen Biomolekülen bei und deuten auf Anwendungen in molekularen elektronischen Geräten wie Halbleitern hin, die durch Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Strukturen funktionieren.