Simulation of Membrane Fission using Coarse Grained Molecular and Brownian Dynamics Approaches
Final Report Abstract
Mit diesem Projekt habe ich mir zum Ziel gesetzt, mittels numerischer Methoden die Fission von Membranen zu erforschen und dabei die Rolle der Lipide und der Proteine genauer zu untersuchen. Dabei sollte vor allem das Protein CtBP3/BARS im Vordergrund stehen, da es am Gastgeberinstitut (CMNS) identifiziert und geklont wurde. Da sich jedoch herausstellte, dass dieses Protein nur indirekt an dem Fissions-Prozess beteiligt ist, habe ich stattdessen die Wirkung von PLA2 auf Membranen untersucht. Diese Wirkung habe ich implizit in die Simulationen einbezogen, indem ich der Membran aktiv Lysolipide zugefügt habe, ein Ansatz, der auch in einem Experiment mit synthetisch hergestellten Membranen verfolgt wurde. Zunächst habe ich eine kleine Anzahl von Lysolipiden in eine Lipidschicht der Membran eingebracht, und diese Anzahl schrittweise erhöht und das Krümmungsverhalten beobachtet. Eine deutlich sichtbare Krümmung trat allerdings erst bei einem Anteil von 20-30% von Lysolipiden ein. Solch hohe Konzentrationen sind in Zellmembranen eher unrealistisch, sodass gefolgert werden kann, dass der Knospungsprozess zwar durch die Bildung der Lysolipide initiiert wird, dass aber auch Proteine beteiligt sein müssen, welche die Krümmung der Membran aktiv unterstützen. Die Wirkung von CtBP3/BARS ist in einem experimentellen Projekt über die Makropinozitose untersucht worden. Aus den Ergebnissen daraus wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Phosphorylierung durch Pak1 zur Monomerisierung von CtBP3/BARS führt. Zusammen mit Böckmann habe ich diesen Effekt mit MM-PBSA-Rechnungen am phosphorylieren und nichtphosphorylierten Dimer untersucht. Wir fanden dass die Phosphorylierung zu einer Destabilisierung des Dimers führt und durch verstärkte interne Fluktuationen der Monomere begleitet wird, womit wir also die Hypothese bestätigen konnten. Diese Studien sind ein weiterer Baustein zur Erforschung der genauen Funktion dieses Proteins in der Fission von Membranen. Da die publizierten Parametrisierungen der CG-Modelle von Proteinen noch nicht optimal sind, habe ich nicht weiter versucht, Proteine explizit in die Membransimulationen zu integrieren. Stattdessen hatte ich die Idee, diese Ansätze für die Untersuchung von Protein-Protein-Assoziation und Komplexbildung zu verwenden, weil dadurch Limitierungen von anderen Methoden wie BD-Simulationen oder Docking überwunden werden können bei gleichzeitig geringem Rechen- und Zeitaufwand für die Simulationen. Eine weitere Kollaboration mit einem PhD-Studenten hat sich eher zufällig ergeben. Darin geht es um den korrelativen Vergleich dreidimensionaler Aufnahmen von Golgi-Strukturen innerhalb der Zelle mit Elektronen- und 4Pi-Mikroskopie. Anfangs habe ich mich mit der Bearbeitung der Daten und der Visualisierung der Strukturen auseinandergesetzt und später auch die mathematische Analyse der 3D-Aufnahmen vorangetrieben. Wir konnten eine hohe Korrelation der aufgenommenen Strukturen beobachten, die noch durch die ‚zero-crossing’-Methode verbessert werden konnte. Darüber hinaus hatte ich zahlreiche weitere fruchtbare Kollaborationen mit Kollegen innerhalb des CMNS, die meist in einem kleineren Rahmen blieben.
