Applying non-canonical amino acids for investigation of vibrational energy transfer and dynamic allostery in a synaptic protein domain

Proteine sind die Maschinen der Zellen. Um die Funktionalität von zahlreichen zellulären Prozessen zu gewährleisten, müssen Kommunikationssignale innerhalb von Proteinen weitergeleitet werden. Die Weiterleitung einer Störung an einem Ort im Protein zu einer entfernten Stelle, an welcher sie strukturelle und/oder dynamische Änderungen auslöst, wird Allosterie genannt. Zunächst wurde Allosterie hauptsächlich mit großräumigen Konformationsänderungen in Verbindung gebracht, aber später entwickelte sich ein dynamischerer Blickwinkel auf Allosterie in Abwesenheit dieser großräumigen Konformationsänderungen. Die Idee eines allosterischen Pfades bestehend aus konservierten und energetisch gekoppelten Aminosäuren, welche die Signalweiterleitung zwischen entfernten Stellen im Protein vermitteln, entstand. Diese allosterischen Pfade wurden durch zahlreiche theoretische Studien in Zusammenhang mit Pfaden effizienten anisotropen Energieflusses gebracht. Der Energiefluss entlang dieser Netzwerke verknüpft allosterische Signalübertragung mit Schwingungsenergietransfer (VET - vibrational energy transfer). Die Großzahl der Forschungsarbeiten über dynamische Allosterie basiert auf theoretischen Methoden, weil nur wenige geeignete experimentelle Verfahren existieren. Um diesen essentiellen biologischen Prozess der Informationsübertragung besser verstehen zu können, ist die Entwicklung neuer und leistungsstarker experimenteller Instrumente und Techniken daher dringend erforderlich. Die vorliegende Dissertation setzt sich dies zum Ziel. VET in Proteinen ist aufgrund der Proteingeometrie inhärent anisotrop. Alle globulären Proteine besitzen Kanäle effizienten Energieflusses, von denen vermutet wird, dass sie wichtig für Proteinfunktionen, wie die schnelle Ableitung von überschüssiger Wärme, Ligandenbindung und allosterische Signalweiterleitung, sind. VET kann mit zeitaufgelöster Infrarot (IR) Spektroskopie untersucht werden, bei welcher ein Femtosekunden Anregepuls eines Lasers Schwingungsenergie in ein molekulares System an einer bestimmten Stelle injiziert und ein, nach einem veränderbarem Zeitintervall folgender, IR Abfragepuls die Ausbreitung dieser Schwingungsenergie detektiert. Ein protein-kompatibler und universell einsetzbarer Chromophor, der die Energie eines sichtbaren Photons in Schwingungsenergie konvertiert, wird als Heizelement benötigt um langreichweitige VET Pfade in Proteinen kartieren zu können. Der Azulen (Azu) Chromophor eignet sich dafür, weil er nach Photoanregung des ersten elektronischen Zustandes durch ultraschnelle interne Konversion fast die gesamte injizierte Energie innerhalb von einer Picosekunde in Schwingungsenergie umwandelt. Eingebettet in die nicht-kanonische Aminosäure (ncAA - non-canonical amino acid) ß-(1-Azulenyl)-L-Alanine (AzAla), kann der Azu Rest in Proteine eingebaut werden. Die Ankunft der injizierten Schwingungsenergie an einer bestimmten Stelle im Protein kann mithilfe eines IR Sensors detektiert werden. Die Kombination aus Azu als VET Heizelement und Azidohomoalanine (Aha) als VET Sensor mit transienter IR (TRIR) Spektroskopie wurde schon erfolgreich an kleinen Peptiden in der Dissertation von H. M. Müller-Werkmeister getestet, die der vorliegenden Dissertation in den Laboren der Bredenbeck Gruppe vorausging. Die Schwingungsfrequenz chemischer Bindungen ist hochempfindlich auf selbst kleine Änderungen der Konformation und Dynamik in der unmittelbaren Umgebung und kann mit IR Spektroskopie gemessen werden, z. B. mit Fourier Transform IR (FTIR) Spektroskopie. IR Spektroskopie bietet eine außergewöhnlich gute Zeitauflösung, die es ermöglicht, dynamische Prozesse in Molekülen auf einer Zeitskala von wenigen Picosekunden zu beobachten, wie z. B. die ultraschnelle Weiterleitung von Schwingungsenergie. Mit zweidimensionaler (2D)-IR Spektroskopie können die Relaxation von schwingungsangeregten Zuständen und strukturelle Fluktuationen um die schwingende Bindung untersucht werden. Allerdings geht die herausragende Zeitauflösung mit limitierter spektraler Auflösung einher. In größeren Molekülen mit zahlreichen Bindungen überlagern sich die Schwingungsbanden und die Ortsauflösung geht verloren. Um diese Limitierung zu überwinden, können IR Marker benutzt werden, chemische Gruppen, die in einer spektral durchsichtigen Region des Protein/Wasser Spektrums (1800 bis 2500 cm-1) absorbieren. Als ncAA können sie kotranslational in Proteine an einer gewünschten Stelle eingebaut werden und so ortsspezifische Informationen aus dem Proteininneren liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe, eines relativ großen Extinktionskoeffizientens (350-400 M-1cm-1) und einer hohen Empfindlichkeit auf Änderungen in der lokalen Umgebung sind organische Azide (N3) wie zum Beispiel Aha besonders geeignete IR Marker. Aha kann als Methionin Analogon ins Protein eingebaut werden. ..

Impact of azidohomoalanine incorporation on protein structure and ligand binding

The impact of the incorporation of a non-natural amino acid (NNAA) on protein structure, dynamics, and ligand binding has not been studied rigorously so far. NNAAs are regularly used to modify proteins post-translationally in vivo and in vitro through click chemistry. Herein, structural characterisation of the impact of the incorporation of azidohomoalanine (AZH) into the model protein domain PDZ3 is examined by means of NMR spectroscopy and X-ray crystallography. The structure and dynamics of the apo state of AZH-modified PDZ3 remain mostly unperturbed. Furthermore, the binding of two PDZ3 binding peptides are unchanged upon incorporation of AZH. The interface of the AZH-modified PDZ3 and an azulene-linked peptide for vibrational energy transfer studies has been mapped by means of chemical shift perturbations and NOEs between the unlabelled azulene-linked peptide and the isotopically labelled protein. Co-crystallisation and soaking failed for the peptide-bound holo complex. NMR spectroscopy, however, allowed determination of the protein-ligand interface. Although the incorporation of AZH was minimally invasive for PDZ3, structural analysis of NNAA-modified proteins through the methodology presented herein should be performed to ensure structural integrity of the studied target

Through bonds or contacts? Mapping protein vibrational energy transfer using non-canonical amino acids

Vibrational energy transfer (VET) is essential for protein function. It is responsible for efficient energy dissipation in reaction sites, and has been linked to pathways of allosteric communication. While it is understood that VET occurs via backbone as well as via non-covalent contacts, little is known about the competition of these two transport channels, which determines the VET pathways. To tackle this problem, we equipped the β-hairpin fold of a tryptophan zipper with pairs of non-canonical amino acids, one serving as a VET injector and one as a VET sensor in a femtosecond pump probe experiment. Accompanying extensive non-equilibrium molecular dynamics simulations combined with a master equation analysis unravel the VET pathways. Our joint experimental/computational endeavor reveals the efficiency of backbone vs. contact transport, showing that even if cutting short backbone stretches of only 3 to 4 amino acids in a protein, hydrogen bonds are the dominant VET pathway

Post-anaesthesia pulmonary complications after use of muscle relaxants (POPULAR): a multicentre, prospective observational study

Background Results from retrospective studies suggest that use of neuromuscular blocking agents during general anaesthesia might be linked to postoperative pulmonary complications. We therefore aimed to assess whether the use of neuromuscular blocking agents is associated with postoperative pulmonary complications. Methods We did a multicentre, prospective observational cohort study. Patients were recruited from 211 hospitals in 28 European countries. We included patients (aged ≥18 years) who received general anaesthesia for any in-hospital procedure except cardiac surgery. Patient characteristics, surgical and anaesthetic details, and chart review at discharge were prospectively collected over 2 weeks. Additionally, each patient underwent postoperative physical examination within 3 days of surgery to check for adverse pulmonary events. The study outcome was the incidence of postoperative pulmonary complications from the end of surgery up to postoperative day 28. Logistic regression analyses were adjusted for surgical factors and patients’ preoperative physical status, providing adjusted odds ratios (ORadj) and adjusted absolute risk reduction (ARRadj). This study is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT01865513. Findings Between June 16, 2014, and April 29, 2015, data from 22803 patients were collected. The use of neuromuscular blocking agents was associated with an increased incidence of postoperative pulmonary complications in patients who had undergone general anaesthesia (1658 [7·6%] of 21694); ORadj 1·86, 95% CI 1·53–2·26; ARRadj –4·4%, 95% CI –5·5 to –3·2). Only 2·3% of high-risk surgical patients and those with adverse respiratory profiles were anaesthetised without neuromuscular blocking agents. The use of neuromuscular monitoring (ORadj 1·31, 95% CI 1·15–1·49; ARRadj –2·6%, 95% CI –3·9 to –1·4) and the administration of reversal agents (1·23, 1·07–1·41; –1·9%, –3·2 to –0·7) were not associated with a decreased risk of postoperative pulmonary complications. Neither the choice of sugammadex instead of neostigmine for reversal (ORadj 1·03, 95% CI 0·85–1·25; ARRadj –0·3%, 95% CI –2·4 to 1·5) nor extubation at a train-of-four ratio of 0·9 or more (1·03, 0·82–1·31; –0·4%, –3·5 to 2·2) was associated with better pulmonary outcomes. Interpretation We showed that the use of neuromuscular blocking drugs in general anaesthesia is associated with an increased risk of postoperative pulmonary complications. Anaesthetists must balance the potential benefits of neuromuscular blockade against the increased risk of postoperative pulmonary complications