Vliv peptidového ohybu na formování membránových pórů

Bc. Alžběta Türková

Master's thesis

Effect of peptide kink on formation of membrane pores

Abstract:

Antimikrobiální peptidy (AMP) se řadí k rozsáhlé skupině membránově aktivních látek. AMP mohou narušit membránu cizorodých organismů vytvořením membránového póru. V současné době se AMP staly atraktivními předlohami pro vývoj nových antibiotik. Tato práce si klade za cíl objasnit proces formování membránových pórů pomocí přístupů výpočetní chemie. Zaměřujeme se na AMP s α-helikální strukturou a efekt peptidového ohybu. Prolinový nebo glycinový ohyb v α-helikální struktuře narušuje pravidelnou α-helikální strukturu. Přítomnost peptidového ohybu ve struktuře AMP se ukázala jako biologicky významná. Domníváme se, že AMP s peptidovým ohybem se mohou mnohem snadněji přizpůsobit geometrii daného póru. V našem zhrubeném modelu je každá diskrétní α-helikální oblast peptidu reprezentována jako samostatná částice s atraktivní (hydrofobní) oblastí. Systematicky jsme vytvořili 144 unikátních modelů, které odpovídají různým fyzikálně-chemickým vlastnostem AMP. Následně jsme provedli Monte Carlo simulace s Metropolisovým schematem. Wang-Landau metoda byla použita pro výpočet volné energie tvorby póru za určitých podmínek. Pro ověření našich výsledků jsme do této studie zahrnuli detailnější MARTINI a all-atom modely. V rámci této práce zkoumáme efekt flexibility a úhlu peptidového ohybu, chemických vlastností konců peptidů, obsahu hydrofobních residuí, a koncentrace (vyjádřenou jako poměr peptidů ku lipidům). Vyhodnocujeme přínos vybraných aspektů při tvorbě póru. Vhodná kombinace parametrů peptidů určuje jejich geometrické uspořádání uvnitř póru, což nasvědčuje, že peptidy zaujímají takovou orientaci, která efektivně stabilizuje membránové zakřivení. Nakonec uvádíme několik zajímavých struktur pórů, které vykazují podobné znaky s našimi modely pórů v MARTINI/all-atom simulacích či s experimentálně pozorovatelnými strukturami. Předkládané výsledky poskytují cenný vhled do energetiky tvorby membránových pórů, což může být v budoucnu využito k racionálnímu návrhu nových terapeutických kandidátů.

Abstract:

Antimicrobial peptides (AMPs) belong to a broad group of membrane-active compounds. AMPs can disrupt membrane of foreign organisms through the formation of membrane pores. AMPs have thus become attractive drug templates in the development of new antibiotics. Presented study aims to elucidate the process of pore formation by means of computational chemistry. We are particularly interested in AMPs with α-helical secondary structure and the effect of peptide kink. Proline or glycine kink in α-helix leads to disruption of a regular α-helical pattern. The presence of helical kink has been observed to be biologically relevant. We hypothesize that peptides with kink can much more easily adapt to pore geometry. In our coarse-grained model, each α-helical region of a peptide is represented as a single particle with an attractive (i.e. hydrophobic) patch. We have systematically prepared 144 unique models to mimic different physico-chemical features of AMPs. We performed Monte Carlo simulations with Metropolis scheme. Wang-Landau method was used to calculate the free energy profiles associated with pore formation under various conditions. In order to verify our results, we further used more detailed MARTINI and all-atom models. We investigate the effect of kink flexibility and angle, properties of peptide termini, hydrophobic content, and concentration (defined as Peptide-to-Lipid ratio). We evaluate the contribution of selected aspects to pore formation. Proper combination of peptide parameters determines the geometrical arrangement of a pore. Peptides inside a pore assume such an orientation, which effectively stabilizes membrane curvature. Finally, we present several plausible pore models that exert similar characteristics as either our structures in MARTINI/all-atom or experimentally observed pore structures. Presented results provide valuable insight into the energetics of pore formation, which can be further utilized in the rational design of novel therapeutic candidates.

Keywords

antimikrobiální peptidy, helikální ohyb, tvorba póru, biologické membrány, výpočetní chemie, Monte Carlo, molekulová dynamika, výpočty volných energií, soft matter, Wang-Landau metoda, umbrella sampling, hrubozrnný model, PSC model, Cookův a Desernův model, antimicrobial peptides, helical kink, pore formation, biological membranes, computational chemistry, molecular dynamics, free energy calculations, Wang-Landau method, coarse-grained model, Cooke and Deserno model

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 12. 6. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Robert Vácha, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biomolecular Chemistry