Molekularer Mechanismus des ANT1-vermittelten Protonentransports

Die mitochondriale Entkopplung ist ein vielversprechendes therapeutisches Ziel für pathophysiologische Zustände wie Adipositas, Stoffwechselerkrankungen, Krebs und Alterung. Der ATP/ADP-Transporter (ANT) ist das am häufigsten vorkommende Protein in der inneren Mitochondrienmembran aller Zellen und sorgt durch den Austausch von Nukleotiden für die Energieversorgung der Zelle. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ANT in Gegenwart von langkettigen Fettsäuren und/oder dem künstlichen Entkoppler 2,4-Dinitrophenol Protonen transportiert. Die mit verschiedenen Versuchsaufbauten erzielten Ergebnisse haben zu kontroversen Ansichten über den Protonentransportmechanismus von ANT geführt. Wir werden zwischen zwei aktuellen Hypothesen unterscheiden, wonach (1) Protonen in Gegenwart von langkettigen Fettsäuren (FA), die an die Proteinhöhle gebunden sind, durch den zentralen Hohlraum von ANT entweichen, oder (2) ANT den Transport eines FA-Anions erleichtert (FA-Gleitmechanismus), das in seiner neutralen Form den Protonentransport in umgekehrter Richtung vollendet. Um Belege für (2) zu liefern, wollen wir (i) den Wettbewerbsmechanismus zwischen Substrat und Fettsäure untersuchen, (ii) die Fettsäure-Anionen-Wege an der Protein-Lipid-Grenzfläche vervollständigen und (iii) den Mechanismus auf andere Entkopplungssubstanzen neben Fettsäuren ausweiten. Wir werden vier Hauptansätze gebündelt einsetzen: (i) Leitfähigkeitsmessungen an planaren Doppelschichten, die mit gereinigtem rekombinantem ANT rekonstituiert wurden, bieten uns die einzigartige Möglichkeit, den Protonentransport selektiv zu messen, während für Mitochondrien typische Transmembranpotenziale angelegt werden; (ii) fluoreszenz- und radioaktivitätsbasierte Messungen des Substrattransports; (iii) ortsspezifische Mutagenese; und (iv) Molekulardynamik-Simulationen und KI. Die Kombination hochmoderner Methoden ermöglicht es, den Protonentransportmechanismus eines der am häufigsten vorkommenden mitochondrialen Proteine aufzuklären und unser Verständnis des allgemeinen Mechanismus zu erweitern, durch den mitochondriale Transporter an der Wechselwirkung zwischen mitochondrialer Kopplung und Entkopplung beteiligt sind. Letzteres wird die theoretische Grundlage für den breiten Einsatz natürlicher und künstlicher Entkoppler zur Behandlung von Adipositas, Krebs, neuroimmunologischen Erkrankungen und Alterungsprozessen liefern. Das Projekt wird von Prof. Elena E. Pohl koordiniert, einer ausgebildeten Biophysikerin und Expertin für mitochondriale Membranproteine. Das Projekt bietet zwei Doktoranden die Möglichkeit, ihre Promotion in diesem sich rasch entwickelnden und spannenden Forschungsbereich abzuschließen.

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