Protein-Bioinformatik

Vikram Alva-Kullanja

Man schätzt, dass es heute mehr als eine Billion verschiedener Proteine gibt. Obwohl dies auf den ersten Blick eine riesige Zahl zu sein scheint, ist die tatsächliche Vielfalt der Proteine in der Natur eher begrenzt. Viele Proteine zeigen nachweisbare Ähnlichkeiten in Sequenz und Struktur, da sie durch Amplifikation, Rekombination und Divergenz aus einem Grundbestand an autonom faltbaren Modulen, den so genannten Domänen, entstanden sind.

Über die Vielfalt der modernen Proteine

Ein sequenzbasierter Vergleich moderner Proteine weist aus, dass sie in nur etwa zehntausend Domänenfamilien fallen, die sich aufgrund struktureller Ähnlichkeit in eine von rund tausend Faltungen einteilen lassen. Viele dieser Faltungen gab es bereits zur Zeit des letzten universellen gemeinsamen Vorfahren, einem theoretischen Urorganismus, von dem alles Leben auf der Erde abstammt.

Wir sind sehr daran interessiert, jene Ereignisse zu verstehen, die zur Entstehung dieser ersten Faltungen und ihrer Diversifizierung in die vielen funktionellen heute bekannten Proteinfamilien führten.

Das MPI Bioinformatik-Toolkit

Um die evolutionären Beziehungen zwischen Proteinen zu verfolgen, verwenden wir Bioinformatik-Tools, die Korrelationen zwischen Sequenz- und Strukturähnlichkeit herstellen. Viele der von uns verwendeten Tools, wie die hochmodernen Sequenzvergleichsmethoden HHblits und HHpred, sind in das MPI Bioinformatics Toolkit integriert, eine integrative Ressource für die bioinformatische Analyse von Proteinen aus einer Hand, die wir entwickeln und pflegen.

Das Toolkit umfasst derzeit 36 miteinander verbundene interne und externe Werkzeuge, deren Funktionalität die Erkennung entfernter Homologe, die Berechnung multipler Alignments und die Annotation von Sequenzmerkmalen umfasst.

Prokaryotische Zelloberflächenproteine

Alle Zellen nutzen eine ausgeklügelte molekulare Maschinerie, um mit ihrer Umgebung zu interagieren, aber die molekulare Grundlage solcher Interaktionen ist bei Prokaryonten nach wie vor schlecht verstanden. Zu diesem Zweck arbeiten wir in einem vom HFSP finanzierten Projekt mit Tanmay Bharat (MRC LMB) und Alex Bisson (Brandeis University) zusammen, um die Evolution und die molekularen Grundlagen der Mechanosensorik in Archaeen zu untersuchen.

Außerdem arbeiten wir gemeinsam mit Tanmay Bharat an der Entschlüsselung der Evolution und der Struktur prokaryontischer S-Schichten (zweidimensionale parakristalline Schichten, die viele prokaryontische Zellen einkapseln).

Ausgewählte Publikationen

A multidomain connector links the outer membrane and cell wall in phylogenetically deep-branching bacteria.
von Kügelgen A, van Dorst S, Alva V#, Bharat TAM#Proc Natl Acad Sci U S A. 2022;119(33):e2203156119.

Complete atomic structure of a native archaeal cell surface.
von Kügelgen A, Alva V, Bharat TAM. Cell Rep. 2021;37(8):110052.

An astonishing wealth of new proteasome homologs
Fuchs ACD, Alva V, Lupas AN. Bioinformatics. 2021 Jul 29;btab558.

Protein Sequence Analysis Using the MPI Bioinformatics Toolkit
Gabler F, Nam SZ, Till S, Mirdita M, Steinegger M, Söding J, Lupas AN, Alva VCurr Protoc Bioinformatics. 2020 Dec;72(1):e108.

Molecular Logic of Prokaryotic Surface Layer Structures
Bharat TAM#, von Kügelgen A, Alva V#Trends Microbiol. 2020 Oct 26:S0966-842X(20)30258-4.

Histones Predate the Split Between Bacteria and Archaea
Alva V#, Lupas AN#Bioinformatics. 2019 Jul 15;35(14):2349-2353.

From ancestral peptides to designed proteins
Alva V, Lupas AN. Curr Opin Struct Biol. 2018 Feb;48:103-109.

Ribosomal proteins as documents of the transition from unstructured (poly)peptides to folded proteins
Lupas AN, Alva VJ Struct Biol. 2017 May;198(2):74-81.

A vocabulary of ancient peptides at the origin of folded proteins
Alva V, Söding J, Lupas AN. Elife. 2015 Dec 14;4:e09410.

(see full publication list on Google Scholar)

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