Biológiai membránok elektromos térszerkezetének vizsgálata
Title in English
Investigation of the charge structure of biological membranes
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Fábián, László Keszthelyi, Lajos Ormos, Pál Szegletes, Zsolt Váró, György
Starting date
2005-01-01
Closing date
2008-12-31
Funding (in million HUF)
15.290
FTE (full time equivalent)
11.60
state
closed project
Final report
Results in Hungarian
A pályázat célja a biológiai membránok fizikai tulajdonságainak vizsgálata volt, különös tekintettel a töltéseloszlás és - ezzel összefüggésben - az elektromos térszerkezet funkcionális szerepére. Modellobjektumunk a protonpumpáló bakteriorodopszin (bR) fehérjét kristályos rendben tartalmazó bíbormembrán. Kutatásainkat és a velük kapcsolatos módszertani fejlesztőmunkát három téma köré csoportosítottuk:
1. A molekulán belüli elektromos töltéseloszlás funkcionális leírása
2. A határfelületi vízréteg szerepe a fehérjék szerkezetében és működésében
3. A bR nemlineáris optikai tulajdonságainak jellemzése
Eredmények:
1.Megmutattuk, hogy az általunk kifejlesztett módszer a molekula működését kísérő szerkezetváltozásokat érzékenyen jellemzi, és lehetőséget teremt az elektromos töltésátrendeződések funkcionális értelmezésére.
2.Rámutattunk, hogy a semleges sók anionjainak tulajdonított Hofmeister-effektus a fehérje-víz határfelületi réteg szerkezetváltozásaival magyarázható. Elméletünk elsőként ad teljeskörű kvalitatív leírást a 120 éves problémakörre.
3.Integrált optikai módszerekkel az eddigieknél érzékenyebben detektáltuk a bR molekulában - a lokális elektromos tér változásai következtében – fellépő abszorpció- és törésmutató-változásokat. Megmutattuk, hogy a molekula gerjesztését követő spektrális változások alkalmasak fénykapcsolásra és -modulálásra. Az eredmények gyakorlati alkalmazása az optoelektronikában és a bioszenzorikában várható.
Results in English
In the framework of the project, we investigated some physical properties of biological membranes, with special respect to the physiological role of the electric charge distribution (hence the electric field structure). Our model object was purple membrane, containing the paradigmatic proton pumping molecule bacteriorhodopsin (bR) in a quasi crystalline structure. Our research work and the related methodological developments were centered round three topics:
1.Functional description of the intra-molecular charge distribution
2.The role of interfacial water in the structure and function of proteins
3.Characterization of the nonlinear optical properties of bR
Results:
1.We showed that our method represents a sensitive test for the characterization of structural changes associated to molecular function, and allows interpretation of charge rearrangements.
2.We pointed out that the Hofmeister effect, attributed to the anions of neutral salts, can be interpreted according to structural changes in the protein-water interface. Our theory gives a full-spectrum qualitative description, solving a 120-years old puzzle.
3.Using integrated optical (IO) techniques, we could sensitively characterize the nonlinear optical properties of bR films, and showed that IO light switching and modulation can be performed based on the light-induced spectral changes of bR. Practical utilization of the results is expected in optoelectronics and sensorics.
P. Ormos, A. Dér, J.J. Ramsden, E.K. Wolff: Light-driven integrated optical device, United States Patent, No.: 6,956,984 B2, Date: Oct. 18, 2005, 2005
Dér András, Fábián László, Valkai Sándor, Ormos Pál K. Wolff: AZ INTEGRÁLT OPTIKA BIOFIZIKA ALKALMAZÁSAI, pp. 77-81, In: ''A kvantumoptika és -elektronika legújabb eredményei'', szerk.: Heiner Zs. és Osvay K., ISBN 963 482 779 9, Szeged, 2006, 2006
Rudolf Tóth-Boconádi, András Dér , Stefka G. Taneva and Lajos Keszthelyi: EXCITATION OF THE L INTERMEDIATE OF BACTERIORHODOPSIN: ELECTRIC RESPONSES TO TEST X-RAY STRUCTURES, Biophys. J. 90: 2651-2655, 2006
A. Dér, L. Kelemen, L. Fábián, S.G. Taneva, E. Fodor, T. Páli, A. Cupane, M.G. Cacace, J.J. Ramsden: INTERFACIAL WATER CONTROLS PROTEIN CONFORMATION, Journal of Physical Chemistry B, 2007
R. Tóth-Boconádi, S.G. Taneva, L. Fábián, A. Dér and L. Keszthelyi:: pH-dependence of the photoelectric response of the M intermediate of bacteriorhodopsin, The Journal of Biological Physics and Chemistry 7: 147–151, 2007
András Dér, Sándor Valkai, László Fábián, Pál Ormos, Jeremy J. Ramsden and Elmar K. Wolff: INTEGRATED OPTICAL SWITCHING BASED ON THE PROTEIN BACTERIORHODOPSIN, Photochemistry and Photobiology, 2007
A. Hámori, M. Serényi, A. Dér, K. Ferencz, S. Kökényesi: All-optical switching possibilities for optical packet switching, Proceedings of the European Microwave Association 4: 221–225, 2008
András Dér: SALTS, INTERFACIAL WATER AND PROTEIN CONFORMATION, Biotechnology & Biotechnological Equipment 22 : 629-633, 2008
Dér, S. Valkai, P. P. Ormos and E.K. Wolff: Sensor device, Hungarian petent application: P0800733, 2009
R. Tóth-Boconádi, A. Dér, L. Fábián, S. G. Taneva and L. Keszthelyi: Excitation of the M intermediates of wild-type bacteriorhodopsin, Photochemistry and Photobiology 85: 609-613, 2009
