Simulation and Analysis of Protein-Fluorophore Systems for Comparison with Fluorescence Spectroscopy Data

Proteine sind die Grundbausteine des Lebens auf molekularer Ebene und wichtig für viele biologische Funktionen wie den Transport von Molekülen, Zellbewegungen oder die Katalyse von chemischen Reaktionen. So transportiert das Protein Hämoglobin beispielsweise den Sauerstoff im menschlichen Blut. Störungen der Proteinfunktionen können schwere degenerative Krankheiten wie zum Beispiel die Parkinson-, Huntington- oder Alzheimer-Krankheit verursachen. Das Verständnis von Proteinfunktionen, ihrer Struktur und Dynamik ist daher ein wichtiges Forschungsgebiet in Biologie, Pharmakologie und Medizin. ... mehrDa Proteine aufgrund ihrer geringen Größe nicht mit Lichtmikroskopie beobachtet werden können, verwendet man stattdessen indirekte Methoden.

Eine dieser Methoden macht sich den Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zunutze, um damit Proteindynamik und andere molekulare Prozesse in vitro und in vivo zu untersuchen. Die Methode wird außerdem auch in Biosensoren zur Messung der Konzentrationen von kleinen Biomolekülen wie zum Beispiel Glukose eingesetzt.
Die dabei verwendeten Systeme aus Proteinen und Fluorophoren unterliegen physikalischen Prozessen wie Molekulardynamik und Photophysik. Da man diese Mechanismen nicht direkt beobachten kann, ist die Funktionsweise vieler Systeme noch nicht vollständig verstanden.

Molekulare Simulationen können diese experimentellen Messungen ergänzen. Sie ermöglichen einen Einblick in molekulare Systeme und ihre Funktion auf atomarer Ebene. Die bisherigen Modellierungsmethoden für Protein-Fluorophor-Systeme sind größtenteils Näherungen, die nur für spezielle Anwendungen verwendbar sind oder zu rechenaufwändig um alle relevanten Bewegungen zu modellieren.
Diese Arbeit stellt eine neue Methode für die Simulation der Dynamik in Protein-Fluorophor-Systemen vor. Sie basiert auf recheneffizienten vereinfachten Molekulardynamiksimulationen. Mit nur wenigen Parametern bietet die Methode eine realistische Beschreibung des Systems, die quantitativ mit Experimenten übereinstimmt.
Sie ermöglicht den direkten Vergleich von Simulationen mit experimentellen Daten und somit eine bessere Planung und Interpretation von Experimenten. Gleichzeitig liefert sie Informationen über die zugrundeliegende Dynamik der Systeme. Diese Arbeit präsentiert ein systematisches Simulationsprotokoll für die Modellierung von Protein-Fluorophor-Systemen in silico, welches für die Erforschung von vielen biologisch relevanten Anwendungen verwendet werden kann. Sie zeigt wie Experimente und Simulationen einander ergänzen, um neue Einblicke in Dynamik und Funktion von Biomolekülen zu erhalten.

Biomolecules and in particular proteins are essential for life at the molecular level and facilitate various biological functions such as molecular transport, cell motion, or catalysis of chemical reactions. One example is the protein hemoglobin in the red blood cells, which transports oxygen in the human body. Malfunction of proteins can cause severe degenerative diseases such as Parkinson's disease, Huntington's disease, Alzheimer's disease, or variants of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Thus, understanding of biomolecular function is of fundamental importance for the fields of biology, pharmacology, and medical sciences and requires detailed insights into protein structures and dynamics. ... mehrAs proteins are too small to be directly observed with an optical microscope, indirect techniques have to be used.

One approach is the use of Förster resonance energy transfer (FRET), where fluorophores are utilized to study protein dynamics and to observe molecular processes in vitro and in vivo. Similarly, fluorophores can be employed in biosensors to measure concentrations of small biomolecules such as glucose, having many applications in medical sciences and microbiology. All of these protein-fluorophore systems are governed by the underlying physical processes such as molecular dynamics and photophysics.
The fundamental mechanisms in these systems can not be observed directly and are therefore not fully understood.

A technique complementing experimental measurements are molecular simulations. They facilitate a detailed insight into the molecular systems and their microscopic function. The current methods to model protein-fluorophore systems are mostly approximations applicable for specific cases or computationally too demanding to model all relevant motions.
This work introduces a new method for simulating dynamics of protein-fluorophore systems with a computationally efficient model based on coarse-grained molecular dynamics simulations. While requiring only few parameters it yields a realistic description of the system in quantitative agreement with experiments. As the presented computational method can directly be compared to experimental data, it facilitates improving planning and microscopic interpretation of experiments. It also yields information about the underlying dynamics by enabling to trace the motions of biomolecules in atomic detail.
This work establishes a systematic simulation protocol to study protein-fluorophore systems in silico that can easily be applied to study a large range of biologically relevant applications. It shows that experiments and simulations complement each other leading to new insights into biomolecular dynamics and function.