Strukturní dynamika biomolekulárních komplexů

RNDr. Mgr. Pavlína Pokorná, Ph.D.

Doctoral thesis

Structural dynamics of biomolecular complexes

Abstract:

Strukturní dynamika na atomární úrovni definuje interakční prostor, a tedy i funkce biomolekul. Biomolekuly se často skládají ze segmentů s různou flexibilitou a existují spíše jako soubory struktur než jako jediná rigidní/statická konformace. Soubory tvořené flexibilními motivy zůstávají strukturně nedostatečně charakterizovány kvůli inherentním omezením experimentálních metod. Výpočty, zejména simulace molekulární dynamiky (MD), umožňují studovat strukturní dynamiku s jemným prostorovým a časovým rozlišením a jsou běžně aplikovány na biomolekuly a jejich komplexy. V této práci představuji MD simulační studie proteinových komplexů a komplexů proteinů s RNA, které ve vazbě kombinují strukturované motivy s flexibilními. Rekonstruuji vlastnosti jejich reálných strukturních souborů a identifikuji kritické příspěvky dynamiky k vazebným mechnismům. Flexibilita a vzájemná zastupitelnost různých bočních řetězců při vytváření klíčových interakcí jsou základem vazebné specifity proteinu HP1, zatímco vazba RNA na protein FUS zahrnuje množství různých stavů a spolupráci flexibilních segmentů. Uvedená srovnávací analýza silových polí a důkladné posouzení použitelnosti a omezení MD simulací poskytuje vodítko pro budoucí studie a vývoj metod. Předložená práce prohlubuje znalosti principů biomolekulárních vazeb a ukazuje, že MD simulace jsou vhodným nástrojem pro doplnění statických experimentálních struktur o dynamickou informaci. Přesto mohou být MD studie systémů se značnou dynamikou náročné kvůli omezením silových polí, vzorkování a nejistotám v referenčních experimentálních datech. Měly by být prováděny a analyzovány pozorně, aby se předešlo chybným interpretacím.

Abstract:

Atomic-level structural dynamics defines the interaction space and therefore functions of biomolecules. Biomolecules often comprise segments with different flexibilities and exist as structural ensembles rather than a single rigid conformation. Ensembles sampled by flexible motifs remain structurally poorly characterized due to inherent experimental limitations. Computations, especially molecular dynamics (MD) simulations, allow studying structural dynamics with fine spatial and temporal resolution and are commonly applied to biomolecules and their complexes. Here, I present MD simulation studies of protein-protein and RNA-protein complexes that combine well-structured motifs with flexible ones in binding. I reconstruct properties of their real structural ensembles and identify critical contributions of the dynamics to the binding. Flexibility and mutual replaceability of the different residues in forming key interactions are the basis for binding specificity of the HP1 protein while the RNA binding to the FUS protein involves a plethora of different states and coupling of flexible segments. Force-field benchmarking and a rigorous assessment of MD simulations' applicability and limitations are provided to guide future studies and method developments. The presented work advances the knowledge of biomolecular binding principles and demonstrates that MD simulations are a viable tool to complement static experimental structures with dynamic information. Yet, MD studies of systems with substantial dynamics may be challenging due to force-field and sampling limitations and uncertainties in the reference experimental data. They should be executed and analyzed carefully to avoid misinterpretations.

Keywords

molecular modelling, molecular dynamics, simulations, biomolecules, structural dynamics, protein, RNA, molekulové modelování, molekulární dynamika, simulace, biomolekuly, strukturní dynamika

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 2. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 13. 4. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.
• Reader: doc. Ing. Filip Lankaš, PhD., prof. RNDr. Jiří Vondrášek, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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