The study of protein unfolding utilizing molecular dynamics simulation

Bc. Veronika Szotkowská

Bachelor's thesis

Abstract:

Enzymy z rodiny halogenalkandehalogenas mají velký potenciál nejen v oblasti životního prostředí, ale také při studiu mnoha důležitých a dosud ne zcela objasněných enzymatických vlastností, procesů a mechanismů. LinB a DhaA, modelové enzymy použity v této práci, se řadí mezi nejstudovanější halogenalkandehalogenasy s nespornou vědeckou pozorností. Tento zájem dokládá i nedávné vytvoření jejich stabilních variant, LinB116 a DhaA115, které doplňují seznam modelových proteinů použitých v této studii. Přes všechny jejich pozitivní vlastnosti je studium a praktické využití LinB a LinB116 omezeno jejich sklonem k agregaci, který není pozorován u strukturně velmi podobných DhaA a DhaA115. Pro lepší pochopení tohoto jevu bylo rozbalení modelových enzymů studováno pomocí molekulárně dynamických simulací při zvýšené teplotě. Druhá část bakalářské práce je věnována identifikaci oblastí náchylných k agregaci a následnému návrhu mutací potenciálně zmírňujících tuto tendenci. Výsledky této práce pomohou lépe pochopit rozdílné chování, které vykazují dva strukturně příbuzné enzymy a postup snižující agregaci by mohl být aplikován i v jiných obdobných případech.

Abstract:

Haloalkane dehalogenases are enzymes of great potential, not only in the environmental field, but also in the study of many important and still not completely understood enzyme properties, processes, and mechanisms. LinB and DhaA, the model enzymes studied in this thesis, are among the most studied dehalogenases with undeniable scientific attention. This interest is also demonstrated by the recent design of their stable variants, LinB116 and DhaA115, which complete the list of model proteins used in this study. Despite all their positive features, the study and practical use of LinB and LinB116 are limited by their propensity for aggregation, which is not observed in structurally similar DhaA and DhaA115. To better understand differences in their behavior, the unfolding of the model enzymes was studied with molecular dynamics simulations in elevated temperature. The second part of the thesis is devoted to the identification of aggregation prone regions, followed by the design of mutations potentially mitigating this tendency. The results of this work will help to improve our understanding of the different behavior exhibited by two nearly identical enzymes, and the principles decreasing aggregation could be applicable to other similar cases.

Keywords

Rozbalení proteinů, molekulárně dynamické simulace, adaptivní vzorkování, termální denaturace, agregace, halogenalkandehalogenasa, protein unfolding, molecular dynamics simulations, adaptive sampling, thermal denaturation, aggregation, haloalkane dehalogenase

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 1. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 7. 2. 2023
• Supervisor: Mgr. David Bednář, Ph.D.
• Reader: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Computational biology and biomedicine / Biomedical bioinformatics