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Abteilungsübergreifend werden mittels Methoden der Chemo- und Bioinformatik, der theoretischen Chemie und des Molecular Modellings verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Diese umfassen quantenchemische Berechungen zu Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie und der Enzymkatalyse, Proteinmodelling, struktur-basiertes Liganden- und Wirkstoffdesign, die Analyse von quantitativen Struktur-Wirkungsbeziehung

Schwerpunktprojekte

  • Chemoinformatische Analysen von Natur- und Wirkstoffen
  • Entwicklung neuer chemiespezifischer Tools der Chemoinformatik
  • Protein-Homologie-Modelling und Ligandendesign
  • Quantenmechanische Berechnungen zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen
  • Datenbanken
  • Virtuelles Screening von Liganden für Rezeptoren, Enzyme und Makrozyklen

Schwerpunktprojekt: Chemoinformatik

Abb. 1: Analyse der Molekulargewichsverteilung in Makrozyklen
Abb. 1: Analyse der Molekulargewichsverteilung in Makrozyklen

Chemoinformatische Analysen von Naturstoffen

So wurde beispielsweise eine Datenbank von mehr als 120.000 Naturstoffen analysiert. Alle Verbindungen, welche Makrozyklen mit mehr als 13 nicht verbrückten Ringatomen enthalten, wurden in Bezug auf die Ringgröße, das Molekulargewicht (Abb. 1) und die Häufigkeit eines gemeinsamen substrukturellen Motivs klassifiziert.4

Schwerpunktprojekt: Homologie-Modelling von Proteinen

Abb. 2: Das katalytisch aktive Zentrum der Thioredoxinreduktase im Komplex mit dem Substrat Thioredoxin. Die Pfeile zeigen die Protonübertragungen innerhalb der katalytischen Triade.
Abb. 2: Das katalytisch aktive Zentrum der Thioredoxinreduktase im Komplex mit dem Substrat Thioredoxin. Die Pfeile zeigen die Protonübertragungen innerhalb der katalytischen Triade.

Analyse der funktionellen Rolle vom Selenocystein Thioredoxinreduktasen Im Rahmen des Schwerpunktprogrammes der DFG (SPP-1087, Selenoproteins) wurde auf der Basis einer Röntgenstruktur von Ratten-Thioredoxinreduktase Homologienmodelle von menschlichem Thioredoxinreduktasen mit gedocktem Substrat Thioredoxin entwickelt. Eine kürzlich publizierte Röntgenstruktur der menschlichem Thioredoxinreduktasen bestätigt die hohe Qualität des Modells. Die Ausbildung eines neuen Typs einer katalytischen Triade, bestehend aus Selenocystein(Sec), Histidin und einem Glutamat, wurde postuliert. Mittels DFT Berechnungen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung dieser Triade, für die Protonenübertragung vom Selenol zu einem Histidin begünstigt und ein Selenolatanion stabilisiert, welches dann mit dem Disulfid von Thioredoxin reagiert und die reduktive Öffnung des Disulfids katalysiert (Abb. 2).
Diese theoretischen Ergebnisse wurden kürzlich durch Mutationsstudien experimentell bestätigt.
Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in den Katalysemechanismus von Thioredoxinreduktasen und erklären zum erstem Mal den Vorteil des Einbaus eines Selenocysteins statt eines Cysteins in das Protein.1-3

Abb 3: Modell des katalytisch aktiven Zentrums der p-Hydroxybenzoate-Oligoprenyltransferase (ubiA) mit gedockten Substraten
Abb 3: Modell des katalytisch aktiven Zentrums der p-Hydroxybenzoate-Oligoprenyltransferase (ubiA) mit gedockten Substraten

Prenylierende Enzyme

Im Rahmen des Schwerpunktprogrammes der DFG (SPP-1152, Evolution metabolischer Diversität) wurden Modellinguntersuchungen und quantenmechanische Berechnungen an der p-Hydroxybenzoate-Oligoprenyltransferase (ubiA) abgeschlossen.6 Es wurde mit der Modellierung einer Reihe weiterer Prenyltransferasen begonnen. In Zusammenarbeit mit Partnern des SPP werden eine Reihe weitere Enzyme (z. B. Tropinonreduktasen und Acyltransferasen) modelliert und charakterisiert.

Literatur

1. Brandt, W. & Wessjohann, L.A., ChemBioChem. 6, 386-394, (2005).
2. Brandt, W., & Wessjohann, L.  A. Protein Data Bank, 2004, entry 1w1c
3. Brandt, W. & Wessjohann, L. A. Protein Data Bank, 2004, entry 1w1e
4. Wessjohann, L. A., Ruijter, E., Garcia-Rivera, D., Brandt, W., Mol Divers. 9, 171-186, (2005).
5. Hans, J., Brandt, W. & Vogt, T. Plant J., 39, 319-333, (2004).
6. Bräuer L., Brandt W. & Wessjohann, L.A.  J. Mol. Mod. 10, 317-327 (2004)

Schwerpunktprojekt: Datenbanken

Spektroskopiedatenbank

Im IPB wird eine abteilungsübergreifende Spektroskopie-Datenbank (NMR, MS,optische Spektren) aufgebaut, die zukünftig auch auf Chromatogramme (HPLC, GC) erweitert werden soll. Die programmtechnische Grundlage bilden Module des ACD/Labs-Programmpakets. Mit der Datenbank wird die Datenhaltung für die Spektren zentralisiert. Dereplikation (Identifizierung bereits bekannter Verbindungen) und die Strukturaufklärung werden effektiviert.

2D-NMR-Datenbank

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Informatik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Dr. Alexander Hinneburg) eine Datenbank für zweidimensionale NMR-Spektren aufgebaut. Die Datenbank umfasst bisher ca. 600 experimentelle und berechnete (ADC/Labs 2D NMR Pedictor) 1H-13C-HSQC-Spektren. Im Rahmen von Diplomarbeiten wurde ein Webinterface und erste Ansätze für Ähnlichkeitssuche und Mischungsanalyse entwickelt. Zur Zeit wird an Algorithmen für Clusteranalysen gearbeitet.    

Phytobase

Mit dem Ziel, den Informationszugang (Literatur, Screeningergebnisse, Spektren usw.) für Mitarbeiter sicherzustellen und zu vereinfachen, wird am Institut an eine Datenbank mit Web-Interface entwickelt.  Grundlage gegenwärtiger Arbeiten ist eine eigene bereits existierende ASCII-Datenbank, welche mehr als 17.000 Literaturreferate von isolierten Naturstoffen beinhaltet.    

3D-Datenbanken

Aufbauend auf den von der Firma „Chemical Computing Group, MOE“ zur Verfügung gestellten Grundstock von 3D-Strukturen wird eine interne 3D-Strukturdatenbank gepflegt. Der Datenstamm wird ständig und systematisch erweitert. Dazu werden aus 2D-Strukturen mittels Konformationssuchalgorithmen (MOE) energetisch stabile 3D-Strukturen generiert und der Datenbank hinzugefügt. Als Quellen für die 2D-Informationen dienen neben den Formeln der im Haus synthetisierten und isolierten Verbindungen 2D-Datenbanken kommerzieller Anbieter (Chemikalienkataloge usw.). Die 3D-Datenbank für in silico screening umfaßt mittlerweile mehr als eine Million Verbindungen in über 60 Millionen Konformationen.

Schwerpunktprojekt: Virtuelles Screening von Liganden für Rezeptoren, Enzyme und Makrozyklen

Abb. 4: Ein Pharmakophormodelle zum in silico Screening
Abb. 4: Ein Pharmakophormodelle zum in silico Screening

Virtuelles Screening

Auf der Grundlage von 3D-Datenbanken, welche mittlerweile mehr als eine Million Verbindungen mit über 60 Millionen Konformationen enthalten, werden Methoden des in silico Screenings (Pharmakophorsuche) angewendet. Hier bei werden sowohl makromolekulare biochemische Systeme (Rezeptoren und Enzyme) als auch in der Abteilung synthetisierte Makrozyklen als Wirte zum Auffinden selektiver Gäste (Liganden) untersucht.

DFG: Regulation des okulären Surfactant-Systems und dessen Bedeutung für das Auge

Projektleiter: 

Prof. Dr. Lars Bräuer und Prof. Dr. med. Friedrich Paulsen (Institut für Anatomie Lehrstuhl II, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg,D-91054 Erlangen) 
PD Dr. Wolfgang Brandt (IPB)    

Die Gewebe der Augenoberfläche und des Tränensystems unterliegen aufgrund ihres ständigen Kontaktes mit der Umwelt einer Fülle von exogenen Einflüssen, wie Mikroorganismen oder pathogen assoziierten Molekülen. Ein funktionelles Abwehrsystem ist daher unerlässlich zur Vermeidung von Infektionen oder Erkrankungen des Auges und des Tränensystems. Vor kurzem hat unsere Arbeitsgruppe erstmals die Existenz der vier bislang bekannten Surfactant Proteine (SP-A, -B, -C, -D) an der Augenoberfläche und im Tränenapparat nachgewiesen. Über die Bedeutung dieser Proteine, die in Lunge lebensnotwendige immunologische und oberflächenaktive Funktionen besitzen, ist für das Auge bisher nichts bekannt. 

Das angestrebte Projekt hat das Ziel, tiefere Einblicke in das komplexe System der Expression, Regulation und Funktion der Surfactant Proteine an der Augenoberfläche, im Tränenapparat und im Tränenfilm zu erhalten. Ferner sollen Surfactant Proteine rekombinant synthetisiert werden und durch die Verknüpfung von theoretischen und molekularbiologischen Methoden einen biogenetische „Optimierung“ der bereits bekannten Surfactant Proteine erzielt werden. Die Ergebnisse sollen zum Verständnis der Regulationsmechanismen und Wirkungsweise im Hinblick auf einen therapeutischen Einsatz rekombinanter Surfactant Proteine an der Augenoberfläche und in anderen Organsystemen beitragen und Erkrankungen der Augenoberfläche und des Tränenapparates neue Perspektiven eröffnen.

DFG: Die Evolution des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels: Die Flexibilität der Substratauswahl bei Tropinonreduktasen und ähnlichen kurzkettigen Dehydrogenasen/Reduktasen

Projektleiter: 

Prof. Dr. Birgit Dräger, MLU Halle 
PD Dr. W. Brandt, IPB    

Das Ziel des Projekts ist die Untersuchung kurzkettiger Dehydrogenasen/Reduktasen (SDR) auf katalytische Charakteristika und Evolvierbarkeit und die Definition ihrer Funktion in Pflanzen. SDR im Tropanalkaloidstoffwechsel reduzieren das Keton Tropinon. Cochlearia officinalis (Brassicaceae) enthält, im Gegensatz zu A. thaliana, Tropanalkaloide. Für eine Tropinonreduktase aus C. officinalis findet man 16 Orthologe in A. thaliana. Weitere Tropinonreduktase-ähnliche Gene in anderen Brassicaceen-Genomen legen nahe, dass sie ein Reservoir für die Evolution von Sekundärstoffwechselenzymen darstellen. Die Modellierung von Tropinonereduktase-ähnlichen SDR in silico und die Pharmkophorgeleitete Substratauswahl ermöglichen gezielte Untersuchung der katalytischen Eigenschaften der SDR in vitro. Kandidaten für die Rolle als natürliche Liganden sind Metaboliten im Brassicaceen-Stoffwechsel. Auf diese Weise werden metabolische und katalytische Flexibilität und Redundanz zwischen den einzelnen SDR beschrieben. Durch Modellierung und Docking von Tropinon als Substrat werden die dafür entscheidenden Aminosäuren im Aktiven Zentrum identifiziert. Mit gerichteter Mutagenese und Chimärenbilden werden die Docking-Vorhersagen geprüft und untersucht, ob SDR leicht evolvierbar sind.

Land Sachsen-Anhalt Verbundprojekt: „Wirkstoffe zur Erhöhung der Toleranz von Kulturpflanzen gegenüber Trockenstress“

Projektleiter Teilprojekt 2: 

PD Dr. Wolfgang Brandt Computergestütztes Inhibitordesign

Kooperationspartner: 

Prof. Dr. Ludger Wessjohann IPB 
Prof. Dr. Edgar Peiter, Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,06120 Halle (Saale) 

Prof. Klaus Humbeck, Institut für Pflanzenphysiologie, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg,06120 Halle (Saale) 

SKW Stickstoffwerke Piesteritz (SKWP)

Weltweit ist Stress einer der wesentlichsten Faktoren, die die pflanzliche Produktion limitieren. Bereits gegenwärtig besitzen die angebauten Kulturpflanzen beachtliche genetische Ertragsreserven (bis zu 40 %), die auf Grund von abiotischem Stress wie Trockenheit, Versalzung, Hitze, Licht nicht genutzt werden können. Infolge der erwarteten und sich teilweise bereits vollziehenden Veränderungen in Witterung und Klima ist von einer Verstärkung solcher Effekte auszugehen. Dabei ist neben häufiger auftretenden witterungsbedingten Extremereignissen wie Starkregen und Stürmen vor allem mit der Zunahme von Phasen ausgeprägter Trockenheit besonders im Frühjahr und Frühsommer, also zu Zeiten eines sehr hohen Wasserbedarfs der Kulturpflanzen, zu rechnen. 

Im Rahmen des geplanten Verbundprojektes sollen neue, spezifisch wirkende und effizient einsetzbare, chemische Verbindungen identifiziert und selektiert werden, die die Trockentoleranz von Kulturpflanzen erhöhen. Der Einfluss dieser Wirkstoffe auf verschiedene pflanzliche Steuer- und Anpassungsmechanismen soll ermittelt und beschrieben sowie die Effekte im Hinblick auf Ertrag und Qualität landwirtschaftlich relevanter Kulturen unter differenzierten Bedingungen quantifiziert werden. Basierend auf Grundlagenexperimenten und angewandten Untersuchen unter anderem in Gefäß- und Feldversuchen sollen erste Einsatzstrategien und Anwendungsempfehlungen vorzugsweise in Verbindung mit N-Düngungsmaßnahmen (z.B. Flüssigdünger) entwickelt und erprobt werden. 

Im Ergebnis der Projektbearbeitung soll der Landwirtschaft in Sachen-Anhalt eine zusätzliche, wirksame und praktikable Möglichkeit zur Reaktion auf und Anpassung an zunehmende Trockenstressphasen bei der pflanzlichen Erzeugung zur Verfügung gestellt werden. Damit sollen Ertragseinbußen verringert, die Ertragssicherheit erhöht und eine hohe Produktqualität auch unter veränderten Witterungs- und Klimabedingungen gesichert werden. Insgesamt soll damit ein Beitrag zur Erhaltung und Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Landwirtschaft in Sachsen-Anhalt im europäischen Maßstab auch unter veränderten Bedingungen geleistet werden. Darüber hinaus unterstützt die Entwicklung neuer innovativer Produkte die Sicherung und den Ausbau des Agrochemiestandortes Sachsen-Anhalt bzw. Wittenberg- Piesteritz.

Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) Projekt: Produktion von Tetrahydrocannabinolsäure in genetisch modifizierten Mikroorganismen

Projektleiter: 

Prof. Dr. Oliver Kayser, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, TU Dortmund, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen,44227 Dortmund 
PD Dr. Wolfgang Brandt, IPB, 
THC Pharm GmbH, 60599 Frankfurt / Main 
Prof. Dr. A. Schmid und Dr. B. Bühler, TU Dortmund, Fakultät für Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl Biotechnik, 44227 Dortmund    

Tetrahydrocannabinolsäure (THCA) ist ein Naturstoff aus Cannabis sativa, der nach Abbau zu Tetrahydrocannabinol (THC) einen starken zentral wirksamen Effekt hat. In der Vergangenheit konnte eine große medizinische Bedeutung für THC bei der Behandlung von Krebs, Multiple Sklerose und Parkinson festgestellt werden. THC wird zum überwiegenden Teil durch Synthese gewonnen, weil in der Schweiz und in den USA der Anbau zum Zweck der Herstellung und Gewnning nicht mehr erlaubt ist. In eigenen früheren Arbeiten konnten nun die restlichen für die Biosynthese wichtigen Gene identifiziert werden. Auf dieser Grundlage wurde ein synthetisches Gen konstruiert, welches in E. coli kloniert und exprimiert wurde. In Fütterungsstudien mit Olivetolsäure konnte im Labormaßstab die Produktion von THCA gezeigt werden. In dem zu beantragenden Projekt soll die Produktion von 250 kg THCA im Bioreaktor ermöglicht werden. Die Antragsteller verfolgen das Ziel der Codonoptimierung (P1), Proteinmutagense (P1) zur Strukturoptimierung (P2), Verbesserung der systembiologischen Bedingungen (P1/4) in E. coli, Kenntnis zu Regulationselementen, Signalwegen und Refluxkontrolle der genuinen Biosynthesewege für optimale Bereitstellung von Geranyldiphosphat als Precursor in der THCA-Biosynthese. Auf der biotechnischen Seite sollen Kulturbedingungen (Temperatur, pH-Wert, O2, Cofaktoren) und eine geeignete Verfahrenstechnik im Bioreaktor entwickelt (P3/4) werden. Ziel ist ein technisch robustes Verfahren zur Produktion und zur späteren Aufreinigung ohne Säulenchromatographie zu entwickeln.

Diese Seite wurde zuletzt am 11.02.2013 geändert.

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