Optimalizace molekul pro translokaci přes fosfolipidové membrány

Bc. Radim Brožek

Master's thesis

Optimization of molecules for translocation across phospholipid membranes

Abstract:

Fosfolipidová membrána je hlavní překážkou při pronikání peptidů do buněk. Takzvané peptidy penetrující buňky a některé antimikrobiální peptidy jsou schopné přejít (translokovat) přes membránu a sloužit jako transport molekul do buněk nebo jako inhibitoři vnitrobuněčních procesů. Zlepšení translokace peptidu může otevřít nové možnosti pro léčbu nemocí či transportu léčiv do buněk. Nicméně nedostatek znalostí translokace peptidu je limitující faktor pro návrh nových více efektivních translokujících peptidů. V této diplomové práci se zabýváme optimalizačními strategiemi, které mohou zvýšit spontánní průchodnost (translokaci) alpha-helikálních peptidů přes fosfolipidové membrány. S využitím počítačových simulací a pokročilých vzorkovacích metod jsme vyhodnotily efekty bodových mutací a modifikací sekvencí na translokaci samostatného peptidu. S použitím studovaných optimalizačních strategií jsme navrhli několik slibných kandidátů s bariérou translokace kolem 60 kJ/mol, které budou studovány experimentálně. Naše výsledky poskytují základní vodítka pro racionální návrh nových translokujících peptidů a zlepšení existujících peptidů.

Abstract:

Phospholipid membrane is a major obstacle in peptide internalization into cells. Cell-penetrating peptides and several antimicrobial peptides are able to translocate across the membrane and act as carriers transporting molecules into cells or inhibitors of intracellular processes. Improvement of the peptide translocation can open new possibilities in disease treatment and drug delivery into cells. However, a lack of understanding of peptide translocation is a limiting factor in designing novel more efficient translocating peptides. In this master thesis, we investigated optimisation strategies that have the potential to enhance spontaneous translocation of alpha-helical peptides across phospholipid membranes. Using computer simulations and enhanced sampling methods, we evaluated several effects of point mutations and sequence modifications on single peptide translocation. By applying studied optimisation strategies, we have designed several promising peptides with a barrier of translocation around 60 kJ/mol that are planned to be tested experimentally. Our findings provide a base guideline for a rational design of novel translocating peptides and the improvement of existing peptides.

Keywords

translokace, antimikrobiální peptidy, peptidy penetrující buňky, volná energie, translokační bariéra, hrubozrný model, metadynamika, translocation, antimicrobial peptides, cell-penetrating peptides, free energy, translocation barrier, coarse-grained model, metadynamics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 6. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 9. 7. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Robert Vácha, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics