Structural Studies of Biomolecular Systems with Molecular Dynamics Simulations

In vorliegender Arbeit wurden computerbasierte Simulationen eingesetzt, um verschiedene strukturelle Eigenschaften und Dynamiken von Biomolekülen aufzuklären.
Die bearbeiteten Themen resultieren aus Kooperationen innerhalb des Graduiertenkolleges 2039 Molekulare Architekturen für die fluoreszente Bildgebung von Zellen. Dabei wurden sowohl klassische Molekulardynamik (MD)-Simulationen verwendet als auch Simulationen mit Verwendung sogenannter coarse-grained-Ansätze, bei denen mehrere Atome zu größeren Einheiten zusammengefasst werden.
Aus dem Gebiet der Peptid-Membran-Wechselwirkungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Ulrich (KIT) zwei hydrophobe Peptide aus Typ I Toxin-Antitoxin-Systemen bearbeitet. ... mehr
Im Mittelpunkt von Kapitel 3 steht das stress-induzierte Peptid tisB (29 Aminosäuren) aus E. coli, welches die Formation von Biofilmen bewirkt und den elektrochemischen Gradienten an der Bakterienzellmembran stilllegen kann.
Es wurden Studien der Assemblierung des Peptides tisB als paralleles Dimer und Tetramer in der Lipidmembran durchgeführt. Die anschließenden langen Simulationen ausgewählter Strukturen wurden mit experimentell gefundenen Ergebnissen verglichen, wobei das Hervortreten des charge zipper-Motivs als Interaktionsmotiv bestätigt werden konnte.
Für das Dimer und das Tetramer konnten erstmals Strukturen für einen möglichen Protonentransfer über die Membran aufgespürt werden. Das Tetramer zeichnet sich durch seinen Aufbau aus zwei antiparallelen tisB-Dimeren aus, welches einen ständigen Wasserfaden über das entstandene polare Interface erlaubt, und erscheint als sehr vielversprechende Ausgangsstruktur für mögliche Protonentransferstudien.
In Kapitel 4 sind erste strukturelle Studien zum Peptid bsrG (38 Aminosäuren) aus B. subtilis dargestellt. Es konnte gezeigt werden, dass bsrG als Monomer nicht in Lipidmembranen integriert, aber an die Oberfläche assoziiert ist. Die polaren Aminosäuren sind dabei zum Wasser hin ausgerichtet. Mittels Assemblierungsstudien des Peptides als Dimer in der Lipidmembran konnten stabile parallele und antiparallele Strukturen eluiert werden, die mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmen und das Bindungsmotiv des hydrogen bond zipper zeigen. In Zusammenarbeit mit den Arbeitskreisen Wagenknecht, Nienhaus und Schepers (alle KIT) wurden MD-Simulationen zur Aufklärung des unterschiedlichen Verhaltens zweier Doppelstrang-RNA-Konstrukte mit FRET-Farbstoffen (arabino- und ribo-Konfiguration) bei der Effizienz des FRET-Transfers eingesetzt (Kapitel 5).
MD-Simulationen konnten aufzeigen, dass dieser Unterschied in der Effizienz auf Grundlage der erhöhten Mobilität der arabino-konfigurierten Farbstoffe zu erklären ist, im Gegensatz zu den sehr stark wechselwirkenden und unbeweglichen ribo-konfigurierten Farbstoffen. Jene Mobilität ermöglicht einen effizienten Energietransfer zwischen den Farbstoffen, der zu FRET führt.

In this work, computer-based simulations were performed to elucidate different structural properties and dynamics of biomolecules.
The topics resulted from collaborations within the Research Training Group 2039 Molecular architectures for fluorescent imaging of cells. Classical Molecular Dynamics (MD) simulations and coarse-grained simulations were used, in which several atoms are combined into larger units.
In the field of peptide-membrane interactions, two hydrophobic peptides from type I Toxin-antitoxin systems were investigated in cooperation with the Ulrich research group (KIT). ... mehr
Chapter 3 focuses on the stress-induced peptide tisB (29 amino acids) from E. coli, which causes the formation of biofilms and can incapacitate the electrochemical gradient on the bacterial cell membrane.
Assembly studies of the peptide tisB as a parallel dimer and tetramer in the lipid membrane were carried out. The subsequent long simulations of selected structures were compared with experimentally found results, whereby the emergence of the charge zipper motif could be confirmed as important interaction pattern.
For the first time, structures for a possible proton transfer via the membrane could be detected for the dimer, and also for the tetramer. The tetramer is characterised by its structure consisting of two antiparallel tisB dimers, which allow a constant water filament over the polar interface, and appears as a very promising starting structure for possible proton transfer studies.
The first structural studies on the peptide bsrG (38 amino acids) from B. subtilis are presented in chapter 4.
It has been shown that bsrG as a monomer is not integrating into lipid membranes, but is associated to the surface with the polar amino acids directed to water. By means of dimer assembly studies of the peptide in the lipid membrane stable parallel and antiparallel structures could be elucidated which coincides with experimental results and shows the binding motif of the hydrogen bond zipper.
In cooperation with the working groups Wagenknecht, Nienhaus and Schepers (all KIT), MD simulations were used to elucidate the different behaviour of two double-stranded RNA constructs with FRET dyes (arabino- and ribo-configuration) in the efficiency of FRET transfer (Chapter 5).
MD simulations have shown that this striking difference in efficiency can be explained by the increased mobility of the arabino-configured dyes, as opposed to the highly interactive and stacking ribo-configured dyes. This mobility of the arabino-configured dyes enables an efficient energy transfer between the dyes which leads to FRET.