Role of electrostatics explored with molecular dynamics simulations for protein stability and folding

Abstract

The study of stability and folding properties of proteins is one of the major fields of research in biological sciences, recently boosted by the increasing amount of genomic data. Understanding the mechanisms ensuring protein stability and function is the keypoint for the comprehension of basic life processes and development of new drugs. For a considerable number of proteins a reasonably complete picture is available, thanks to the development of novel experimental techniques and theoretical analysis tools (chapter 1). The molecular dynamics approach to the study of protein structure and function plays an important role in biocomputing (chapter 2), providing a useful tool for verification and prediction of experimental results. The most evident limit of molecular dynamics simulations is the size, in terms of computing time and memory load, of the simulations. The microsecond time span reached in current simulations is too short to observe major structural changes like protein folding. In order to reduce the computational load, implicit solvent models based on a continuum description of the surrounding medium (Poisson- Boltzmann equation or empirical methods) have been developed (chapter 3). Despite the advantage in terms of time and sampling power, the use of approximations may introduce artifacts on electrostatic interactions within the protein. The use of implicit solvents in molecular dynamics is sometimes thus considered as not reliable. This PhD work aims at investigating the role played by electrostatic interactions in molecular dynamics simulations of biomolecular systems under different conditions, from unfolding in presence of external forces to stability and fluctuations under native conditions. In chapter 4 the unfolding of the cold shock protein was simulated using two different methods leading to the same results, confirming a defined unfolding scheme. One method is thermal unfolding, the other employs a bias force selecting thermal fluctuations along a suitable unfolding reaction coordinate. The use of a rather simple implicit solvent model (EEF1 presented in chapter 3) permits an efficient sampling of phase space, including major structural changes. Our findings are in agreement with experiments. In chapter 5 an artificial ion channel designed by engineering the gramicidin A peptide is presented. NMR studies show that the presence of cesium iodide triggers a structural transition from the inactive to the active form of the channel. The simulations, performed using the generalized Born approximation, provide insight into the binding reaction of ions and suggest that these might be responsible for the stabilization of the active form. Despite some artifacts due to the implicit solvent approximation, the method yet delivers solid results in qualitative agreement with experiments. In many cases a detailed description of solvent-solute interactions is most important, for instance the analysis of hydrogen bonding pattern under native conditions or in presence of ligands. In chapter 6 a simulation of a bacterial cytochrome c immersed in a water box at room temperature is analysed in terms of fluctuations of atomic positions and of intra-protein hydrogen bonds. This work aims at correlating simulation data on fluctuations with hydrogen exchange experiments under native conditions. A good qualitative correlation is reached between stability of bonds as obtained from exchange data and fluctuations as calculated from molecular dynamics.

Die Studie der Stabilität und des Faltungsprozesses von Proteinen spielt eine wichtige Rolle in Biologie, seitdem neulich riesige Mengen Genomdaten verfügbar wurden. Die Frage, wie ein Protein sich faltet, damit es stabil und funktionsfähig ist, ist interessant, sowohl für die biologische Forschung, als auch für die pharmakologischen Anwendungen. Ein vollständiges Bild ist für viele Proteine heutzutage verfügbar, dank der Entwicklung experimenteller Techniken und theoretischer Analysemethoden (Kapitel 1). Molekulardynamik (MD) spielt eine wichtige Rolle in der Forschung über Proteinstruktur und Funktion (Kapitel 2) zur Prüfung und Voraussage von experimentellen Ergebnissen. Die Bedürfnisse an Rechenzeit und Speicherplatz der Simulationen stellen die Grenze von Molekulardynamik. Eine Mikrosekundenzeit wird normalerweise in Simulationen erreicht, die immer noch zu kurz ist, um größere strukturelle Änderungen wie Proteinfaltung zu beobachten. Um die Rechenzeit zu reduzieren, sind implizite Lösungsmittelmodelle entwickelt worden, die aus einer Kontinuumsbeschreibung des umliegenden Mittels stammen (Kapitel 3). Ein kontinuierliches Lösungsmittel bietet Vorteil wegen geringerer Rechenzeit und effizientes Samplings. Jedoch kann der Gebrauch von Näherungswerten Artifakte in den elektrostatischen Wechselwirkungen innerhalb des Proteins verursachen. Der Gebrauch impliziter Lösungsmittel wird manchmal als unzuverlässig betrachtet. In dieser Doktorarbeit wird die Rolle elektrostatischer Wechselwirkungen in MD Simulationen biomolekularer Systeme unter unterschiedlichen Bedingungen, wie Auffaltung durch externe Kräfte, oder Fluktuationen im nativen Zustand, untersucht. In Kapitel 4 wurde die Auffaltung des Kälte- Schock Proteins mit zwei unterschiedlichen Verfahren simuliert, die zu den gleichen Resultaten führen und somit einen definierten Entfaltungsprozess bestätigen. Ein Verfahren ist thermische Auffaltung, das andere setzt eine externe Kraft ein, die Fluktuationen entlang eine Reaktionskoordinate vorwählt. Die Anwendung von einem einfachen impliziten Lösungsmittelmodell (EEF1 aus Kapitel 3) erlaubt ein effizientes Sampling des Phasenraumes und große Veränderungen der Proteinstruktur werden beobachtet. Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit Experimenten. Ein künstlicher Ionenkanal, der aus dem Peptid Gramicidin A herstellt wurde, ist in Kapitel 5 vorgestellt. NMR Daten zeigen, dass Cäsiumjodid einen strukturellen Übergang von der unaktivierten zur aktiven Form des Kanals auslöst. Trotz Artifakten, die durch das implizite Lösungsmittelmodell eingeführt werden, liefert die Methode dennoch Ergebnisse, die mit Experimenten übereinstimmen. Es gibt Fälle, in denen eine ausführliche Beschreibung der Interaktionen zwischen Lösungsmittel und Protein am wichtigsten ist, zum Beispiel die Analyse der Wasserstoffbrücken unter nativen Bedingungen oder wenn Liganden vorhanden sind. Im Kapitel 6 wird ein bakterielles Cytochrom c im Wasser bei Raumtemperatur simuliert. Fluktuationen von Atompositionen sowie Wasserstoffbindungen unter Proteinatomen werden analysiert. Eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen Stabilität der Bindungen aus Experimenten und Fluktuationen aus MD Simulationen wird erreicht.