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Investigations of possible quantum and vibrational effects on biological function
Christoph Götz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Molekulare Biologie)
Betreuer*in
Alipasha Vaziri
DOI
10.25365/thesis.72434
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21673.14223.673436-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Recent years have greatly expanded evidence on quantum and vibrational effects impacting functionality of biological systems fueling new hypotheses. This creates need and opportunity for rigorous experimental paradigms testing these hypotheses. This thesis establishes methodologies allowing manipulation of well established model systems with atomic precision as well as quantitative experimental readouts which can be tied to physiological effects allowing to investigate such hypotheses. Unifying molecular and behavioral experimental workflows and precisely placed molecular spectroscopic probes allow to sample the proteins on a time-scale relevant to quantum and vibrational effects and provide functional readouts at the same time. This thesis explores the potential functional impact of selected, molecular interactions to explore the potential presence of vibrational or quantum effects on relevant timescales and investigate its potential impact on in vitro and in vivo higher order function. (1) Exploring the potential impact of classic protein sub-domain vibrations and quantum resonances on the selectivity of the potassium channel KcsA. For this, targeted isotope labeling strategies were developed and resulting samples characterized using 1D and ultrafast 2DIR spectroscopy as well as electrophysiology. In addition, spectroscopic modeling and mutations investigated the impact of ion induced conformational changes on large-scale vibrational modes of the protein. (2) The impact of isotope effects on allosteric transitions in proteins for oxygen sensing of C. elegans was investigated using isotope effects. Calcium signaling of the neuronal response to changes in isotope composition of oxygen were investigated using a newly designed experimental setup. (3) Lastly, the ability to discriminate odorants in Zebrafish was investigated to test a disputed vibrational theory of olfaction. Isotope labeled amino acids were used as vibrational probes to perturb the olfactory perception based on in vivo whole brain calcium imaging. Isotopomers of Phenylalanine and Lysine showed disparate brain states in olfactory related brain regions which might support vibrationally assisted electron tunneling in olfactory receptors. Taken together this thesis integrates methods across structural biology, molecular dynamics simulations, ultrafast spectroscopy, electrophysiology and neurobiology. The novel experimental paradigms and evidence of this thesis established a general way to quantitatively characterize the limits of quantum and vibrational effects on the structure of biomolecules and in vivo functional behavior of organisms. The results provided in this thesis on well established biological model systems unlocks the testing of a plethora of similar hypotheses aiming to discover links between the atomic world and biologically relevant macroscopic phenomena.
Abstract
(Englisch)
In den letzten Jahren haben sich die Erkenntnisse über Quanten- und Schwingungseffekte, die sich auf die Funktionalität biologischer Systeme auswirken, stark erweitert und neue Hypothesen aufgestellt. Dies schafft Bedarf und Gelegenheit für rigorose experimentelle Paradigmen zur Prüfung dieser Hypothesen. In dieser Arbeit werden Methoden entwickelt, die eine Manipulation etablierter Modellsysteme mit atomarer Präzision sowie quantitative experimentelle Messwerten ermöglichen, die mit physiologischen Effekten verknüpft werden können, um solche Hypothesen zu untersuchen. Die Vereinheitlichung von molekularen und verhaltensbasierten experimentellen Abläufen und präzise platzierte molekulare spektroskopische Sonden ermöglichen es die Proteine auf einer für quanten- und vibrationeller Effekte relevanten Zeitskala zu untersuchen und gleichzeitig funktionelle Messwerte zu liefern. In dieser Arbeit werden die potenziellen funktionellen Auswirkungen ausgewählter molekularer Wechselwirkungen untersucht, um das potenzielle Vorhandensein von Schwingungs- oder Quanteneffekten auf relevanten Zeitskalen zu erforschen und ihre potenziellen Auswirkungen auf Funktionen höherer Ordnung in vitro und in vivo zu untersuchen. (1) Erforschung der potenziellen Auswirkungen von klassischen Protein-SubdomänenSchwingungen und Quantenresonanzen auf die Selektivität des Kaliumkanals KcsA. Zu diesem Zweck wurden gezielte Isotopenmarkierungsstrategien entwickelt und die resultierenden Proben mittels 1D- und ultraschneller 2DIR-Spektroskopie sowie Elektrophysiologie charakterisiert. Darüber hinaus wurde durch spektroskopische Modellierung der Einfluss von ionen und mutations-induzierten Konformationsänderungen auf großräumige Schwingungsmoden des Proteins untersucht. (2) Die Auswirkung von Isotopeneffekten auf allosterische Übergänge in Proteinen für die Sauerstoffsensorik von C. elegans wurde anhand von Isotopeneffekten untersucht. Die Kalzium-Signale der neuronalen Reaktion auf Veränderungen in der Isotopenzusammensetzung von Sauerstoff wurde mit Hilfe eines neu entwickelten Versuchsaufbaus untersucht. (3) Schließlich wurde die Fähigkeit zur Unterscheidung von Geruchsstoffen bei Zebrafischen untersucht, um eine umstrittene Vibrationstheorie des Geruchsinns zu testen. Isotopenmarkierte Aminosäuren wurden als Schwingungssonden verwendet, um die Geruchswahrnehmung auf der Grundlage von Ganzhirn-Kalzium-Bildgebung zu pertubieren. Isotopomere von Phenylalanin und Lysin zeigten unterschiedliche Hirnzustände in olfaktorisch verwandten Hirnregionen, was die Theorie von vibrationsunterstütztem Elektronentunneln in olfaktorischen Rezeptoren unterstützen könnte. Insgesamt werden in dieser Arbeit Methoden aus den Bereichen Strukturbiologie, Molekulardynamiksimulationen, ultraschnelle Spektroskopie, Elektrophysiologie und Neurobiologie integriert. Die neuen experimentellen Paradigmen und Beweise dieser Arbeit haben einen allgemeinen Weg zur quantitativen Charakterisierung der Grenzen von Quanten- und Schwingungseffekten auf die Struktur von Biomolekülen und das funktionelle Verhalten von Organismen in vivo aufgezeigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit an gut etablierten biologischen Modellsystemen ermöglichen die Prüfung einer Vielzahl ähnlicher Hypothesen, die darauf abzielen, Verbindungen zwischen der atomaren Welt und biologisch relevanten makroskopischen Phänomenen zu entdecken.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quanteneffekte 2DIR electrophysiologie vibrationelle spektroskopie isotopen effekte neurobiology KcsA Zebrafish C. elegans
Schlagwörter
(Englisch)
quantum effects 2DIR electrophysiology vibrational spectroscopy isotope effects neurobiology KcsA Zebrafish C. elegans
Autor*innen
Christoph Götz
Haupttitel (Englisch)
Investigations of possible quantum and vibrational effects on biological function
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchungen zu möglichen Quanten- und Schwingungseffekten auf biologische Funktionen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
xi, 174 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Carlos Baiz ,
Manuel Zimmer
Klassifikationen
AC Nummer
AC16648735
Utheses ID
63997
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |