Použití metod pro výpočet volných energií k studiu biomolekulárních procesů

Bc. Ivo Kabelka

Master's thesis

Utilization of Free Energy Calculation Methods in Study of Biomolecular Processes

Abstract:

Předložená diplomová práce se zaměřuje na studium dynamiky proteinů, zejména na studium skládání a změn konformace již složených proteinů. Skládání proteinů je životně důležitý proces, během kterého protein zaujme svůj funkční stav. I po správném složení proteinu však může docházet k významným změnám jeho prostorového uspořádání, které mohou dokonce ovlivnit vzájemnou polohu domén proteinu v prostoru. K těmto změnám dochází po delší dobu a mohou mít zásadní vliv na jeho funkci. Oba zmíněné procesy byly studovány za pomoci výpočetních metod: a) molekulové dynamiky a b) metod pro vylepšení vzorkování. Tato práce je rozdělena na dva samostatné projekty. První projekt byl započat během mého bakalářského studia a má za cíl studovat konformační změny restrikční endonukleázy BsoBI. Tato konformační změna, umožňující enzymu BsoBI navázání molekuly DNA, byla studována metodami molekulové dynamiky a metadynamiky a byl získán kvalitativní odhad změny volné energie spojené se zmíněnou změnou konformace. Cílem druhého projektu bylo zhodnocení nově navržené metody memory decay metadynamics pro vylepšené vzorkování konformačního prostoru proteinů. Pro zhodnocení výkonnosti této metody bylo zvoleno studium skládání malých peptidů. Ačkoliv je zmíněná metoda pouze na začátku svého vývoje, stačila již ukázat své schopnosti při urychlení procesu skládání. Během dalšího zkoumání bude nezbytné vylepšit její nastavení a lépe zhodnotit její schopnosti a přínos.

Abstract:

This diploma thesis is focused on the study of protein dynamics, especially on the protein folding and conformational changes of proteins in already folded state. Folding is a vitally important process during which a protein assumes its intended, functional shape. Once correctly folded, proteins may undergo large conformational changes that can even affect the spatial arrangement of their domains. These conformational changes occur on relatively long time scales and may be crucial for the protein function. Both of these processes were studied by computational approaches: a) by molecular dynamics simulations and b) enhanced sampling methods. This work contains two separate projects. The first project, started during my bachelor studies, is focused on conformational changes of the BsoBI restriction enzyme. The conformational change of the BsoBI enzyme, allowing the DNA binding, was described by molecular dynamics and metadynamics simulations and with that we were able to obtain the qualitative estimate of the associated free energy changes. The aim of the second project was to evaluate a newly proposed method, memory decay metadynamics, for enhanced sampling of conformational space of proteins. Folding of small peptides was used for evaluation of the performance. In its early stages of development, the method shown some premises of slight improvement in the rate of folding. Future research is necessary in order to refine the settings and properly evaluate this method.

Keywords

výpočetní chemie, molekulová mechanika, molekulová dynamika, výpočty volných energií, dynamika proteinů, konformační změny, skládání proteinů, restrikční endonukleázy, BsoBI, computational chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics, free energy calculations, adaptive biasing force, metadynamics, memory decay metadynamics, protein dynamics, conformational changes, folding, restriction endonucleases

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 19. 6. 2014
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biomolecular Chemistry