Computational tools for the analysis of biomolecular data obtained by NMR and molecular dynamics simulations

Mgr. Petr Novák, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Účelem práce byl vývoj, implementace a aplikace nástrojů pro analýzu strukturních a dynamických dat z nukleární magnetické rezonance a simulací molekulové dynamiky. Ke splnění cíle bylo nutno získat vstupní data pro analýzu, vyhledat vhodné metodické postupy, které byly dále upraveny a implementovány v podobě nových výpočetních nástrojů. Pomocí těchto programů byly udělány analýzy a získaná data byla interpretována. Kapitola 2 této práce osvětluje teoretické pozadí zbytkových dipolárních interakcí, soufázových/antifázových NMR experimentů, NMR experimentů selektivně excitujících spinové stavy včetně potřebných korekcí odečtených hodnot a použitých metod molekulové dynamiky. Je zde také diskutována molekulová dynamika jako metoda doplňující NMR relaxace a kvantově chemické výpočty. Kapitola 3 obsahuje popis použitých programů a použití vyvinutých nástrojů pro určování zbytkových dipolárních interakcí z NMR spekter, pro výpočet parametrů pohybu z molekulové dynamiky a sestavování modelů pro kvantově chemické výpočty NMR chemických posunů. Kapitola 4 shrnuje výsledky ve formě popisu napsaných programů S3EPY, Sigma, PAIN a CLUMO a jejich aplikací. Pro určování spin-spinových interakcí byl využit program S3EPY na analýzu spekter d(GCGAAGC) DNA vlásenky, N koncové domény delta podjednotky RNA polymerázy z bakterie Bacillus subtilis, N koncové domény kapsidového proteinu z opičího Mason-Pfizer viru a chemosenzorního proteinu 1 z bource morušového Bombyx mori. Software Sigma byl využit pro výpočet efektivity vývoje spin-spinové skalární interakce během radiofrekvenčních pulzů. S pomocí programu PAIN (Program for Analysis of Internal motioN) byly analyzovány trajektorie molekulové dynamiky myšího močového proteinu I. Program CLUMO (CLUster MOdel constructor) byl použit pro sestavování startovních modelů pro výpočty NMR chemických posunů.

Abstract:

The purpose of the work was development, implementation, and application of the tools for analyses of the structural and dynamical data from the nuclear magnetic spectroscopy and molecular dynamics simulations. In order to accomplish the task, input data for analysis were obtained and literature was searched for the suitable methodological concepts further developed and implemented as new tools. The analyses using the tools were performed and the obtained results were interpreted. Chapter 2 of the thesis presents a theoretical background of the residual dipolar couplings, in-phase/antiphase and S3E NMR experiments including the necessary corrections, and molecular dynamics simulation. A molecular dynamics as a complementary method to the NMR relaxation and quantum chemistry calculations is discussed here as well. Chapter 3 describes the employed software and the usage of the developed tools for the determination of residual dipolar couplings from the NMR spectra, the calculation of motional parameters from the molecular dynamics trajectory, and the extracting of starting models for the quantum chemical calculations of NMR chemical shifts. Chapter 4 summarizes the results in a form of the description of developed software S3EPY, Sigma, PAIN, and CLUMO and the respective applications. In the case of coupling constants determination the S3EPY package was applied to analyze the spectra of d(GCGAAGC) DNA hairpin, N-terminal domain of RNA polymerase subunit from the bacteria Bacillus subtilis, N-terminal domain of Capsid Protein from the Mason-Pzer Monkey Virus, and chemosensory protein 1 from the silkworm Bombyx mori. The software Sigma was utilized for calculation of efficiency of the J-coupling evolution during the radio-frequency pulses. The program PAIN (Program for Analysis Internal motioN) was applied on the molecular dynamics trajectories of the mouse major urinary protein I. The program CLUster MOdel constructor was used to build up starting models for the NMR chemical shift calculations.

Keywords

NMR, RDC, S3EPY, Sigma, PAIN, MD, S3E, CLUMO, MD/DFT

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 12. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 6. 1. 2010
• Supervisor: prof. RNDr. Vladimír Sklenář, DrSc.
• Reader: doc. Ing. Richard Hrabal, CSc., RNDr. Jan Lang, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry