Vytvoření nové struktury membránoveho nanodisku pomocí počítačových simulaci

Bc. Tereza Gerguri

Master's thesis

Formation of a new structure of membrane nanodisc using computer simulations

Abstract:

Vzájemné působení mezi lipidy a proteiny je jedním z nejzákladnějších procesů v živých organismech. V nedávné době byl zkonstruován tzv. nanodisc, jakožto biotechnologický nástroj pro studium transmembránových proteinů. Jedná se o fragment membrány obklopený tzv. scaffold proteiny (jako jsou apo A či jeho zkrácené verze), které jej stabilizují. Tyto nanodisky poskytují přirozené prostředí pro isolaci, purifikaci a získávání 3D struktury (jak za pomoci rentgenové krystalografie, tak nukleární magnetické rezonance) transmembránových proteinů. Bohužel použití nanodisků je limitováno délkou daného scaffold proteinu, který určuje šířku nanodisku, a tím vymezuje velikost transmembránových proteinů, pro které může být nanodisk aplikován. Cílem této diplomové práce bylo zkonstruování nového typu membránového nanodisku obklopeného proteinovým plotem, tvořeným opakujícími se identickými helikálními konstrukty. Za použití molekulové dynamiky se zhrubenými modely jsme získali informace o orientaci a uspořádání malých amfifilních helikálních konstruktů, jakožto stavebních kamenů nového scaffold proteinu. Simulace molekulové dynamiky s all-atom modely umožnily nejen ověřit výsledky simulací se zhrubenými modely, ale také prozkoumat podrobněji interakce vybraných aminokyselin s lipidovou membránou.

Abstract:

The interaction between lipids and proteins still remains one of the most essential processes in organisms. Recently, an interesting biotechnological tool – nanodisc – has been developed. Nanodisc is a patch of phospholipid membrane stabilized by scaffold proteins such as human apolipoprotein A or its modifications. It successfully provides a natural lipid environment for isolation, purification, and structure determination (both crystallographic and NMR) of transmembrane proteins. However, the nanodisc is not suitable for all transmembrane proteins as the length of current scaffold protein limits its size. The main goal of this thesis was to achieve a formation of a novel structure of membrane nanodisc surrounded by a protein fence formed by identical repeating helices. We used coarse-grained molecular dynamics simulations to determine orientation and packing of small amphiphilic helical constructs, a basic building block for new scaffold protein, as well as all-atom molecular dynamics simulations for further verification of our results and for inspection of residue-specific interactions with membrane.

Keywords

Membrána, Membránový nanodisk, Membránové proteiny, Počítačová simulace, Zhrubený model, All-atom model Membrane, Membrane nanodisc, Membrane proteins, Computer simulations, Coarse-grained model, All-atom model

Language used: English

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