Towards an experimentally guided global approach in theoretical protein structure prediction
Biophysics
Final Report Abstract
Proteinstrukturvorhersage kann als „heiliger Gral“ der theoretischen Biochemie bezeichnet werden. Aktuelle theoretische Ansätze sind allerdings bis auf wenige Ausnahmen nicht in der Lage, solche Vorhersagen zu leisten. Obwohl eine erhebliche Menge dezidierter Rechnerleistung verfügbar ist, verbleiben Engpässe in der statistischen Beschreibung – im Wesentlichen weil die Zahl der einnehmbaren Konfigurationen von Biomolekülen enorme Ausmaße erreicht. Es ist daher von großem Interesse, den Rechenaufwand für Simulation von Strukturen zu reduzieren, die nicht mit experimentellen Ergebissen kompatibel sind. Stattdessen könnte die Exploration durch Experimente geleitet werden. Insbesondere für die Gasphase, ein Medium in der die Moleküle geladen und flexibel sind und über hohe Konformations-Barrieren verfügen, scheint ein solcher Ansatz attraktiv. Es besteht bereits die Möglichkeit, Ergebnisse von Ionenmobilitäts-Spektrometrie (IMS) in die Simulationen einfließen zu lassen. Die kürzlich erfolgte Transposition von FRET (Förster Resonant Enertgy Transfer)-Messungen in die Gasphase motiviert zur Entwicklung eines ahnlichen Ansatzes für FRET. Als Grundlage kann die explizite Abstandsabhängigkeit von FRET dienen, die maßgeblich die Effizienz eines Energietransfers von dem Donor zum Akzeptor bestimmt. In dem hier beschriebenen Projekt wurden Methoden und Vorgehensweisen entwickelt und getestet, die anhand von FRET Messungen die Exploration von biomolekularen Strukturen zu leiten vermögen. Am Beispiel eines Chromophorfunktionalisierten Amyloid-β (Aβ) Peptids, wurde eine Kraftfeld-Parametrisierung, eine Arbeitsvorschrift zur statistischen Beprobung und eine Vorhersagemethode für die FRET-Effizienz vorgeschlagen und validiert. In Anlehnung an FRET wurde Babin's adaptive Beeinflussungsmethode (adaptively biased molecular dynamics method, ABMD) angepasst und eingesetzt. Gleichermaßen wurde eine komplementäre und autonome adaptive Methode entwickelt, die eine “Übersetzung” der thermisch gemittelten FRET-Effizienz vornimmt und auf eine Beschränkung einer Reaktionskoordinate anwendet. Hiermit wurde die Aggregations von Aβ zu Dimeren untersucht. Die systematische Methode liefert dabei das globale Energie-Minimum, während die neue adaptive Methode darauf hinweist dass im Experiment ein nur schwach gebundenes Dimer vorliegt. Komplementäre experimentelle Daten (IMS), die nicht für die Beeinflussung verwendet wurden, belegen, dass diese Art von Struktur kompatibel mit den experimentellen Ergebnissen ist. Im Hinblick auf die Proteopathie-Forschung wurden die Methoden auf Proteine angewendet. Als Beispiel wurden die Gasphasen-Konformationen von Chromophorfunktionalisiertem Ubiquitinm im 6+ und 13+ Ladungszustand untersucht. Molekulardynamik, und die FRET Experiment-geleitete Exploration der Struktur identifizierten drei verschiedene strukturelle Prototypen, deren eindeutige Identifizierung mittels komplementärer Experimene erfolgen kann. Zusammenfassend wurden in diesem Projekt Methoden, Arbeitsvorschriften und entsprechende Software enwickelt um mittels FRET-Experimenten die strukturelle Exploration von Biomolekülen in der Gasphase zu leiten. Die Methoden wurden anhand von komplementären Experimenten validiert. Der entwickelte Ansatz kann mit anderen Methoden zur Einflussnahme kombiniert werden und erwies sich erfolgreich bei Beschreibung der Aggregation von Amyloid-β peptiden und für Konformationen von Proteinen. Zukünftige Untersuchungen auf dem Gebiet der Proteopathie-Forschung können daher besonders von den hier entwickelten Methoden profitieren.
Publications
- Conformational changes in Amyloid-Beta (12-28) alloforms studied using action-FRET, IMS and molecular dynamics simulations. Chem. Sci., 2015,6, Issue 8, pp. 5040-5047
Steven Daly, Alexander Kulesza, Frédéric Poussigue, Anne-Laure Simon, Chang Min Choi, Geoffrey Knight, Fabien Chirot, Luke MacAleese, Rodolphe Antoine, Philippe Dugourd
(See online at https://doi.org/10.1039/c5sc01463h) - Structural exploration and Förster theory modeling for the interpretation of gas-phase FRET measurements: Chromophore-grafted Amyloid-β peptides. Journal of Chemical Physics, Vol. 143. 2015, Issue 2: 025101.
Alexander Kulesza, Steven Daly, Luke MacAleese, Rodolphe Antoine, Philippe Dugourd
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4926390) - Visible and ultraviolet spectroscopy of gas phase Rhodamine 575 cations. Journal of Physical Chemistry A, Vol. 119. 2015, Issue 22, pp 5634–5641.
Steven Daly, Alexander Kulesza, Geoffrey Knight, Luke MacAleese, Rodolphe Antoine, Philippe Dugourd
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpca.5b03187) - The structure of chromophore-grafted amyloid-β12–28 dimers in the gas-phase: FRET-experiment guided modelling. Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, Advance Article (19. Feb 2016).
Alexander Kulesza, Steven Daly, Chang Min Choi, Anne-Laure Simon, Fabien Chirot, Luke MacAleese, Rodolphe Antoineab, Philippe Dugourd
(See online at https://doi.org/10.1039/c6cp00263c)
