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Simulation von Peptiden, Proteinen und Biomembranen mit Molekularer Fragmentdynamik (MFD)

Truszkowski, Andreas

Die dissipative Partikeldynamik (DPD) ist eine etablierte mesoskopische Simulationsmethode für komplexe Fluidsysteme, deren Partikel geeignete Fluidelemente repräsentieren. Dabei werden die konservativen Kräfte zwischen Partikelpaaren durch jeweilige isotrope Repulsionsparameter quantifiziert. Die molekulare Fragmentdynamik (MFD) ist eine DPD-Variante, die kleine Moleküle als DPD-Partikel definiert. Größere Moleküle werden dann aus Partikel-„Fragmenten“ zusammengesetzt, die über harmonische Federn verbunden sind. Die MFD-Methode wurde bereits erfolgreich für die Untersuchung von amphiphilen Polymeren, Mikroemulsionen und nichtionischen Tensiden eingesetzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Erweiterung und Validierung des MFD-Ansatzes für die Simulation biomolekularer Systeme mit Membranen, Peptiden oder Proteinen zu realisieren. Dazu wird zunächst ein Satz von MFD-Fragmenten definiert, der eine geeignete Fragmentierung der in den Biomembranen auftretenden Phospholipide sowie der die Peptide/Proteine konstituierenden Aminosäuren ermöglicht. Für die Beschreibung der jeweiligen fragmentbasierten Molekültopologie wird eine neue einzeilige Textnotation (fragment SMILES oder kurz fSMILES) eingeführt, die sich an der bekannten SMILES-Kodierung orientiert. Die DPD-Repulsionsparameter für alle auftretenden Fragmentpaare werden mit Molekulardynamiksimulationen bestimmt und mit einer neu entwickelten Verwaltungsapplikation dokumentiert. Ein Ad-hoc-Konzept für die Berücksichtigung elektrostatischer Ladungen und Kräfte in MFD-Simulationen wird vorgeschlagen, getestet und eingesetzt. Speziell für Peptide und Proteine werden harmonische Federkräfte zwischen den Rückrad-Fragmenten implementiert, die eine Stabilisierung ihrer räumlichen 3D-Struktur mit variablen Flexibilitätsgraden ermöglichen, da die isotropen DPD-Partikelwechselwirkungen die tatsächlichen räumlich-gerichteten atomaren Wechselwirkungen prinzipiell nicht adäquat widerspiegeln. Für die praktische Durchführung der biomolekularen Simulationen wird die MFD-Simulationssoftware MFD-FormulaOne mit umfangreichen neu entwickelten Funktionsbibliotheken und (Peptid-/Protein-)Editoren erweitert. Dabei wird nach Möglichkeit auf bestehende Open-Source-Bibliotheken (CDK, Jmol, BioJava) aufgesetzt. Das erweiterte Simulationssystem ermöglicht schließlich eine vollständig automatisierte Verarbeitung der in „Protein-Data-Bank“-Einträgen enthaltenen topologischen und räumlichen Peptid-/Protein-Information. Zur ersten Validierung der erweiterten Software werden zunächst die Polyoxyalkylethertenside C6E6, C10E6, C12E_6 und C16E6 an einer Wasser-Luft-Grenzfläche simuliert. Die erhaltenen nanoskaligen Strukturen im thermodynamischen Gleichgewicht, die berechneten Oberflächenspannungen sowie die Ergebnisse für die Mizellenbildung weisen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen auf. Für die Untersuchung von Biomembranen werden geeignete Fragmentierungsschemata für alle auftretenden Phospholipide erarbeitet. Die Simulation von 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin-(DMPC)-, Endoplasmatischen-Retikulum-(ER)-, Mitochondrium- und Plasma-Modellmembranen führt zu stabilen Doppelschichten mit Geometrien, die experimentellen Untersuchungen gut entsprechen, wobei auch die bekannten Lipid-Fluktuationen zwischen den beiden Schichten der Doppelmembranen auftreten. Mizellenbildung sowie spontane Vesikelbildung können für alle untersuchten Membrantypen simuliert werden. Die Fusion eines DMPC-Vesikels mit einer DMPC-Membran wird zudem erfolgreich dargestellt. Die flexible räumliche Stabilisierung des Proteinrückgrads mit harmonischen Federkräften wird für das hantelförmige Calmodulin eingehend untersucht: Dazu werden Simulationsserien mit unterschiedlichen Federkräften durchgeführt und die dazu gehörenden räumlichen Proteingeometrien ausgewertet. Es zeigt sich, dass die langreichweitigen Federkräfte in erster Linie für die Aufrechterhaltung der 3D-Struktur entscheidend sind. Die Stabilität einer Protein-Quartärstruktur wird mittels einer MFD-Langzeitsimulation für die Aggregation der Untereinheiten des Hämoglobin-Tetramers gezeigt. Dies belegt, dass die MFD-Methode die gemittelte Wechselwirkung zwischen Proteinoberflächen adäquat beschreiben kann. Für das Studium der Wechselwirkung von Peptiden/Proteinen und molekularen Oberflächen werden zwei Modellsysteme untersucht. Zum einen wird die bekannte destruktive Wirkung des Pflanzendefensins Kalata B1 auf eine biologische Plasmamembran erfolgreich simuliert und die Struktur auftretender Membranporen ermittelt. Zum anderen kann die Wechselwirkung von histidinhaltigen Peptiden und Proteinen mit einer technisch relevanten Zinkrizinoleatschicht die postulierte Affinität des Zinkrizinoleats zu stickstoffhaltigen Molekülen aufzeigen. Zusammenfassend kann die in dieser Arbeit erweiterte MFD-Methode als neue Simulationstechnik für biomolekulare Systeme gewertet werden, die als mesoskopisch-grobkörniges Verfahren für geeignete Fragestellungen einen um Größenordnungen verringerten Rechen- und Zeitaufwand gegenüber der atomistischen Molekulardynamik ermöglicht.

Dissipative Particle Dynamics (DPD) is a well-established mesoscopic simulation method for complex fluid systems whose particles are represented by adequate fluid elements. The conservative forces between particle pairs are quantified by particular isotropic repulsion parameters. Molecular Fragment Dynamics (MFD) is a DPD variant that utilizes small molecules as its particles where larger molecules are assembled with these particle ‘fragments’ connected by harmonic springs. The MFD technique has already been successfully applied to study amphiphilic polymers, microemulsions and non-ionic surfactants. This thesis aims at extending and validating the MFD approach for the simulation of biomolecular systems containing membranes, peptides and proteins. At first a set of MFD fragments is defined that allows an adequate fragmentation of all membrane relevant phospholipids as well as the amino acids that set up peptides and proteins. For a description of a particular fragment-based molecule topology a new single-line text notation (denoted fragment SMILES or fSMILES) is introduced that is similar to the well-known SMILES code. The DPD repulsion parameters for all fragment pairs are determined by molecular dynamics simulations and documented by a newly developed management application. An ad-hoc concept for the consideration of electrostatic charges and forces in MFD simulations is proposed, tested and applied. For peptides and proteins specific harmonic forces between backbone fragments are implemented that enable a stabilisation of their spatial 3D structures with variable degrees of flexibility since the isotropic DPD particle interactions cannot account for the true spatially directed atomic interactions. In order to practically realize biomolecular simulations the MFD simulation software MFD-FormulaOne is extended with new function libraries and peptide/protein editors where already existing open-source libraries (CDK, Jmol, BioJava) are utilized according to possibility. The extended simulation system allows a completely automated processing of the topological and spatial peptide/protein information contained in Protein Data Bank (PDB) files. For an initial validation of the extended software the polyoxyalkylether surfactants C6E6, C10E6, C12E6 and C16E6 are simulated at a water-air interface. The resulting nanoscale structures at thermodynamic equilibrium, the calculated surface tensions and the observed micelle formations are in good agreement with experimental findings. In order to study biomembranes adequate fragmentation schemata for all occurring phospholipids are developed. The simulation of 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin (DMPC), Endoplasmic reticulum (ER), mitochondrion and plasma model membranes lead to stable bilayers with geometries that correspond to experimental results. The well-known lipid fluctuations between both membrane layers do appear. Micelle formation as well as spontaneous vesicle formation can be demonstrated for all studied membrane types. The fusion of a water-filled DMPC vesicle with a DMPC bilayer membrane is successfully simulated. The flexible spatial stabilization of the protein backbones with harmonic forces is studied with the dumbbell-shaped Calmodulin: Simulation series with different forces are performed and the corresponding spatial protein geometries are analysed. It is shown that the long-range forces are responsible for the preservation of the 3D structure in the first place. The stability of a protein quaternary structure is demonstrated by a long-term MFD simulation of the aggregation of the subunits of the Hemoglobin tetramer. This shows that the MFD method may successfully describe the average interaction between protein surfaces. To analyse the interaction between peptides/proteins and molecular surfaces two model systems are investigated: First the well-known destructive behaviour of Kalata B1 plant defensins with biological plasma membranes is successfully simulated and the structure of the occurring membrane pores is characterized. Secondly the interaction of Histidine containing peptides and proteins with a technical relevant zinc ricinoleate layer shows the postulated affinity of zinc ricinoleate to nitrogen containing molecules. In summary it is shown that the extended MFD method may be regarded as a new simulation technique for biomolecular systems. Where it applies the mesoscopic coarse-grained MFD method may reduce the computational costs by orders of magnitude compared to atomistic molecular dynamics.

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Truszkowski, Andreas: Simulation von Peptiden, Proteinen und Biomembranen mit Molekularer Fragmentdynamik (MFD). 2015.

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