Počítačové modelování nukleových kyselin metodami kvantové chemie a silových polí

Mgr. Klaudia Mráziková, Ph.D.

Doctoral thesis

Computer modeling of nucleic acids using quantum chemistry and force-fields

Abstract:

Práce se zabývá popisem nukleových kyselin pomocí metod kvantové chemie a molekulové mechaniky se zaměřením na fyzikálně-chemické vlastnosti konkrétních molekulových interakcí vyskytujících se v nukleových kyselinách a na evaluaci silového pole AMBER. Důraz je kladen na dva typy opakovaně se vyskytujících nekovalentních interakcí, t.j. lone-pair...pi, nebo-li volný-pár...pi, a fosfát...pi, a na struktury nukleových kyselin obsahující tyto interakce, konkrétně UNCG a GNRA RNA tetraloopy a Z-DNA. Tyto motivy patří k velice obtížným pro popis molekulovou dynamikou. Výsledky publikované v diskutovaných pracích jsou použitelné pro vývoj nových, popř. reparametrizaci již existujících, silových polí založených na molekulové mechanice. Na základě porovnání výsledků silového pole AMBER s výsledky z kvantově-chemických výpočtů poukazujeme na konkrétní problémy a navrhujeme modifikace, které mohou vést ke zlepšení silového pole pro popis výše zmíněných struktur nukleových kyselin.

Abstract:

This thesis is based on several studies of nucleic acids availing quantum mechanics (QM) and molecular mechanics (MM) modeling. It is focused on physico-chemical description of specific molecular interactions occurring in nucleic acids and on evaluation of AMBER force field in reproducing them. These are the two kinds of recurrent non-covalent interactions, lone-pair...pi and phosphate...pi, and nucleic acids containing them, particularly UNCG and GNRA RNA tetraloops, and Z-DNA. These motifs are challenging for structural description by MM force fields during molecular dynamics (MD) simulations. The results published in the discussed works can be useful for force field developers. Based on the QM results, we suggest particular steps for improvement of MM force fields, especially AMBER force field, for better structural description of these motifs.

Keywords

nukleové kyseliny, kvantová chemie, molekulová mechanika, AMBER silové pole, nekovalentní interakce, UNCG tetraloop, GNRA tetraloop, Z-DNA, lone-pair...pi, anion...pi, nucleic acids, quantum chemistry, molecular mechanics, AMBER force field, non-covalent interactions

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.
• Reader: prof. RNDr. Ing. Jaroslav Burda, DrSc., doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biomolecular chemistry and bioinformatics / Biomolecular chemistry and bioinformatics