Molekulově dynamické simulace DNA/RNA duplexů

Bc. Barbora Knappeová

Diplomová práce

Molecular dynamics simulations of DNA/RNA duplexes

Anotace:

V této diplomové práci se zaměřujeme na zkoumání vlastností a dynamiky DNA, RNA, hybrid duplexů s využitím různých silových polí. Hybridní duplexy složeny z RNA a DNA řetězců jsou klíčové pro základní biologické procesy, včetně transkripce a reverzní transkripce. Tyto struktury hrají také klíčovou roli ve vývoji technologií, jako je editace genů CRISPR a nanotechnologie. MD simulace hybridních duplexů s atomistickým rozlišením však byly omezené a nebyla provedena žádná rozsáhlá srovnávací studie, která by posoudila výkon dostupných silových polí pro hybridní duplexy DNA/RNA. V moji práci jsme provedli rozsáhlé srovnávací testování dvou typických hybridních duplexů, jako je Polypurine tract (PPT) a Dickerson-Drew dodecamer, s využitím standardních párově aditivní a polarizovatelných silových polí nukleových kyselin. Tato studie poskytuje komplexní posouzení schopnosti silových polí popsat chování RNA/DNA hybridních duplexů a podklady pro volbu nejvhodnějšího silového pole. Dále zdůrazňujeme obtíže a osvědčené postupy pro dosažení nejlepších výsledků při simulacích s hybridními duplexy.

Abstract:

In this diploma thesis, we aim to investigate the properties of and dynamics of DNA, RNA and duplexes hybrids using various force fields. Hybrid duplexes composed of RNA and DNA strands are crucial to essential biological processes, including transcription and reverse transcription. The structures are also instrumental in the development of technologies such as CRISPR gene editing and nanotechnology. However, MD simulations of hybrid duplexes have been sparse at atomistic resolution and no wide-ranging benchmark study has been conducted to assess the performance of available force fields for hybrid DNA/RNA duplexes. In my work, we conducted extensive benchmarking of two typical hybrid duplexes such as the Polypurine tract (PPT) and the Dickerson-Drew dodecamer employing standard pairwise additive and polarizable nucleic acid force fields. This study provides a comprehensive assessment of the ability of force fields to describe the behavior of RNA/DNA hybrid duplexes and a basis for choosing the most appropriate force field. In addition, we highlight the difficulties and best practices to obtain best results on simulations with hybrid duplexes.

Klíčová slova

DNA, RNA, molekulové modelování, dynamika molekul, silová pole, PPT, dodekamer

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 15. 5. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 12. 6. 2025
• Vedoucí: RNDr. Miroslav Krepl, Ph.D.
• Oponent: Mgr. Petra Kührová, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Chemie / Biofyzikální chemie