Application and Development of Charge Transfer Simulations in Biological and Organic Systems

Diese Arbeit zeigt eine theoretische Untersuchung von lichtinduzierten Ladungstransferprozessen in der Proteinfamilie der Photolyasen/Cryptochrome, als prominentes Beispiel.
Während Photolyasen lichtinduzierte DNA-Schäden reparieren, sind Cryptochrome Signalmoleküle, welche die Lichtreaktion vermitteln.
Beide haben eine homologe Proteinstruktur und einen Flavin-Adenin-Dinukleotid Kofaktor, der ihre biologischen Funktionen durch Ladungstransferprozesse ermöglicht. Diese weisen einen signifikanten nicht-gleichgewichts Charakter auf, welcher es für die etablierten Ladungstransfertheorien schwierig macht die richtige Kinetik vorherzusagen. ... mehrDaher wird in diese Arbeit eine hybride Multi-Skalen Simulationsmethode verwendet, die klassische und Quantendynamikansätze kombiniert und nicht auf der Annahme von Gleichgewichtsprozessen basiert ist. Dieses Multi-Skalen Methode wurde angewendet, gebenchmarkt und weiterentwickelt, um die Genauigkeit der Quantenbeschreibung zu untersuchen und zu erhöhen. Dies erhöhte auch die Übertragbarkeit auf Studien zum Ladungstransfer in anderen molekularen Systemen. Darüber hinaus bietet diese Methode eine praktikable Alternative zu teuren zeitaufgelösten Spektroskopie-Verfahren, hinsichtlich der Charakterisierung von Ladungstranferprozessen in den Photolyasen und Cryptochromen.

In experimentellen Studien mit PhrB, einer Photolyase von A. tumefaciens, war es nicht möglich, die Kinetik der Ladungstranferprozesse aufzulösen. Daher wurde in dieser Arbeit die Multi-Skalen Methode verwendet, um den Ladungstransfer in PhrB zu charakterisieren. Insbesondere das Vorhandensein von einem Tyrosin, anstelle von Tryptophan, im Ladungstransfer Pfad wurde untersucht. Daher wurden Molekulardynamik-Simulationen von Mutanten genutzt um eine Struktur-Funktionsbeziehung zu erstellen und ein getunnelter Ladungstransfer wurde vorgeschlagen, der die erste Aminosäure des Pfades involviert. Weitere Simulationen zeigten, dass das angrenzende Wasser einen Transfer entlang des energetisch ungünstigen Tyrosins ermöglicht, während ein Tryptophan den Rücktransfer erleichtert.

PhrA, eine weitere Photolyase von A. tumefaciens, wurde untersucht, um die Ladungstranferprozesse entlang alternativer Pfade aufzuklären. Es wurden unterschiedliche Verhaltensweisen der Kinetik des Ladungstransfers beobachtet. Ein Pfad bietet einen schnellen Transfer, während der Andere eine bessere Stabilisierung der Ladung ermöglicht.

Der Ladungstransfer in Photolyasen und Cryptochromen löst weitere Prozesse aus, wie zum Beispiel einen Protonentransfer zum Kofaktor oder strukturelle Umlagerungen des Reaktionszentrums. In der E. coli Photolyase kann der Kofaktor protoniert werden, jedoch ist der Protonendonator und der Mechanismus unklar.
Darüber hinaus zeigten experimentelle Mutationsstudien, dass die Einbringung eines Protonendonators in die Tasche des Kofaktors die Protonierung verhindert. Daher wurden klassische und Quantendynamik Simulationen durchgeführt und ein Protonentransfermechanismus bestimmt. Simulationen einer Mutante zeigten, dass die Flexibilität und die Coulomb-Wechselwirkungen der Tasche nicht durch den Austausch von einer oder zwei Aminosäuren verändert werden kann. Somit kann eine Protonentransferfähigkeit nicht eingeführt werden, auch wenn die Mutanten scheinbar die entscheidenden strukturellen Muster aufweisen.

This thesis shows a computational study of light-induced charge transfer processes in the photolyase/cryptochrome protein family as a prominent example.
While photolyases repair photo-induced DNA damage, cryptochromes are signalling molecules, mediating the light response. Both have a homologous protein structure and a flavin-adenine-dinucleotide cofactor, which facilitates their biological function by means of charge transfer processes. These possess a significantly non-equilibrium character, which makes it difficult for the established charge transfer theories to predict the correct kinetics. ... mehrTherefore, this work employs hybrid multi-scale simulation methods that combine quantum and classical dynamics approaches, which do not underlay the assumption of equilibrium processes. This multi-scale method was applied in this thesis, benchmarked and further developed to observe and increase the accuracy of the quantum propagation. This increased the transferability toward studies of charge transfer in other molecular complexes. Furthermore, this framework is a viable alternative to expensive time-resolved spectroscopy methods, regarding characterisation of charge transfer processes in the photolyases and cryptochromes.

In experimental studies of PhrB, a photolyase from A. tumefaciens, it was not possible to resolve the kinetics of the charge transfer processes. Thus, the multi-scale method was used in this work to characterise the charge transfer in PhrB. Especially, the presence of a tyrosine instead of a tryptophan in the charge transfer pathway was investigated. Therefore, molecular dynamics simulation of mutants were used to derive a structure-function relationship and proposed a tunnelled charge transfer, involving the first amino acid of the pathway. Further simulations showed that the surrounding water enables a transfer along the energetically unfavourable tyrosine while tryptophan facilitates back transfers.

PhrA, another photolyase from A. tumefaciens, was investigated to resolve the charge transfer processes along alternative pathways.
Different behaviours of the charge transfer kinetics were observed. One pathway offers a fast transfer, while the other enables a better stabilisation of the charge.

The charge transfer in photolyases and cryptochromes triggers further processes such as a proton transfer to the cofactor or structural reorientations of the reaction centre. In the E. coli photolyase the cofactor can be protonated, however, the proton donor and mechanism is unclear. Additionally, experimental mutation studies showed that insertion of a proton donor into the cofactor pocket hinders protonation. Thus, biased classical and quantum simulations were performed and a proton transfer mechanism was derived. Simulations of a mutant revealed that
the flexibility and coulomb interactions of the pocket cannot be changed by replacing one or two amino acids. Thus, a proton transfer capability cannot be introduced even if the mutants seem to carry the crucial structural pattern.