From Static Structures to Free Energy Landscapes: Characterizing Conformational Transitions in Biological Macromolecules

QC 2023-05-17

Abstract

Att leva innebär att tillfälligt motverka den grundläggande dispersiva drivkraften som beskrivs av termodynamikens andra lag, vilken i slutändan leder alla system till oordning och förfall. I celler utförs denna uppgift delvis av proteiner - små specialiserade molekylära maskiner som använder fri energi för att upprätthålla cellens rätta funktion. Felmekanism hos ett protein, exempelvis orsakad av genetiska mutationer, kan leda till död och sjukdom, vilket understryker vikten av att förstå deras funktion för att utveckla nya läkemedel och terapier. Ett proteins funktion kan i princip fullständigt beskrivas av dess fria energilandskap, en typ av sannolikhetsfördelning som kartlägger förhållandet mellan struktur och funktion genom rörelse. Att konstruera fria energilandskap genom enbart experimentella tekniker är dock nästintill omöjligt. Vissa tekniker kan ge statiska ögonblicksbilder av proteinstrukturer, men kan inte ge någon direkt information om dess funktion, medan andra metoder belyser funktionella aspekter men saknar upplösningen att visualisera de åtföljande strukturella förändringarna. Datorsimuleringar i form av molekyldynamiksimuleringar kan överbrygga denna klyfta, men åtföljs av begränsningar i att nå relevanta tidskalor samt reducera högdimensionella data till en form som väl beskriver proteinfunktion.

Syftet med denna avhandling är att utveckla och tillämpa metoder som kan överkomma de samplings- och analysproblem som förknippas med molekyldynamiksimuleringar, uppskatta deras prediktiva förmågor genom experimentell validering samt utforska hur dessa effektivt kan kombineras med olika experimentella tekniker, såsom SANS, cryo-EM och elektrofysiologi. Slutligen tillämpas dessa metoder för att klargöra flertalet nya aspekter av funktionen hos pentameriska ligandstyrda jonkanaler (pLGICs), vilka är av stor betydelse för synaptisk signalöverföring mellan nervceller.

Arbetet som presenteras i denna avhandling kan karakteriseras enligt tre olika teman. Först beskrivs utvecklingen av en grovkornig simuleringsmetod som genererar en ungefärlig trajektorie mellan två kända proteinstrukturer, och hur detta kan utnyttjas för att uppnå bättre sampling i molekyldynamiksimuleringar. Därefter undersöks hur metoder för samplingsförbättring tillsammans med Markovtillståndsmodellering kan användas för att uppskatta fria energilandskap av pLGICs och hur de kan komplettera och informera experimentella metoder för att klarlägga nya aspekter av struktur-funktionsförhållandet hos pLGICs. Slutligen utforskas användningsområden för Markovtillståndsmodeller inom läkemedelsutveckling. Denna avhandling bidrar således till utvecklingen av beräkningsmetoder samt till ökad förståelse för hur pLGICs fungerar - två olika aspekter med potential att bidra till utvecklingen av nya läkemedel.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326995