Termodynamické vlastnosti nekanonické DNA

Bc. Václav Dvorský

Master's thesis

Thermodynamic Properties of Non-canonical DNA

Abstract:

Pochopení termodynamické stability nesprávně párovaných bází, by mohlo být přínosné pro zvýšení účinnosti genové terapie CRISPR-Cas9 a lepší pochopení mechanismů opravy chyb v DNA. Může také pomoci objasnit přesnou funkci proteinu MutS, který chyby rozpoznává. Vzhledem k omezenému rozlišení experimentálních metod je nejlepším způsobem, jak studovat stabilitu párů bází v různých scénářích, použití modelování molekul. Stabilitu lze kvantifikovat výpočtem volné energie jako funkce vybraných geometrických parametrů, tzv. kolektivních proměnných. V předchozích studiích byly použity simple geometrické parametry bázových párů „Shear a „Opening“. Volná energie však byla pro velké hodnoty Openingu nedefinovaná. Navíc se objevil nový typ silového pole vhodného pro simulaci nukleových kyselin. V této práci jsme tedy provedli výpočty volné energie pomocí metody Adaptive Biasing Force na krátké dsDNA obsahující chybné párování v různých konformacích na N-glykosidických vazbách lokalizovaných v centrální části s využitím nejnovější verze silového pole OL21. Použili jsme také lokální verzi parametrů bázových párů, abychom otestovali její vliv na vypočtené povrchy volné energie. Získané výsledky byly porovnány s dříve publikovanými výpočty získanými pomocí silového pole parmbsc1.

Abstract:

Understanding the mismatched base pair thermodynamical stabilities could be beneficial for increasing the efficiency of CRISPR-Cas9 gene therapy and better understanding the mismatch repair mechanisms. It also can help to clarify the exact function of the MutS protein, which recognizes the mismatches. Due to the resolution limitations of experimental methods, applying the molecule modelling approaches is the best way to study the base-pair stabilities in different scenarios. The stability can be quantified by calculating the free energy as a function of selected geometrical parameters, called collective variables. In the previous studies, simple base-pair geometrical parameters Shear and Opening were employed. However, the free energy was unresolved for large values of Opening. Moreover, a new type of force field suitable for nucleic acid simulation has emerged. Thus, in this thesis, we run free energy calculations employing the Adaptive Biasing Force method on short dsDNA containing mismatches in the various conformations on N-glycosidic bonds localized in the central part employing the latest version of the OL21 force field. We also employed the local version of base-pair param-eters to test its impact on the calculated free energy surfaces. Obtained results are compared with previously published calculations acquired with force field parmbsc1.

Keywords

Molecular Dynamics, Base-Pair Mismatches, Thermodynamics of Nucleic Acids, Free Energy Surfaces, Adaptive Biasing Force, Collective Variables, Base-Pair Parameters

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 20. 6. 2023
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
• Reader: Mgr. David Bednář, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biomolecular chemistry