Computational Studies of Transmembrane Proteins

Wechselwirkungen zwischen Membranproteinen oder -peptiden spielen eine zentrale Rolle bei einer Vielzahl von biochemischen Prozessen wie Signalempfang, Enzyminhibition, dem Transport verschiedener gelöster Stoffe durch die Membran und der Aktivierung von Proteinen durch Signaltransduktion. Ziel der vorliegenden Studie war es, die strukturellen, physikalischen und atomistischen Eigenschaften von Biomolekülen, die in Phospholipid Doppelschichten eingebettet sind, mit Hilfe von computergestützten Simulationen zu untersuchen.

Der erste Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, mechanistische Details über Wassertransfer- und Protonentransferreaktionen in der tetrameren Ladungszipper-TisB-Assemblierung von Peptiden, die in eine Doppelschicht eingebettet sind, zu liefern. ... mehr Die Bildung von Persister-Zellen gehört zu den wichtigsten Strategien von Bakterienpopulationen, um sich einer Antibiotikabehandlung und äußerem Stress zu entziehen. E. coli überproduziert das amphiphile $\alpha$-helicale Peptid TisB (toxisches Protein) in die innere Membran, was wiederum zur Bildung von Biofilmen führt. Folglich wird der elektrochemische Gradient an der Membran der Bakterienzelle gestört. Wir haben eine lange All-Atom Simulation ausgewählter Strukturen durchgeführt und eine Enhanced Sampling Simulation eingesetzt, um den Wassertransfer zu untersuchen, der durch die polare Schnittstelle der TisB-Anordnung erleichtert wird. Außerdem haben wir QM/MM-Simulationen eingesetzt, um den detaillierten molekularen Mechanismus und die Energetik des Protonentransports zu untersuchen.

Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Strukturanalyse des tetrameren und hexameren E5-PDGFR$\beta$-Komplexes. Durch hochspezifische Wechselwirkungen zwischen den Transmembran-Helices wird der Platelet-Derived Growth Factor-Rezeptor PDGFR$\beta$ durch das Onkoprotein E5 aktiviert. Wir haben 2~$\mu$s lange klassische MD-Simulationen mit drei verschiedenen Protokollen durchgeführt. Unsere MD-Simulation sergebnisse wurden durch experimentelle Ergebnisse aus der Gruppe von Prof. Dr. Anne S. Ulrich vom KIT ergänzt. Die vorgeschlagenen tetrameren und hexameren Modelle bilden E5-PDGFR$\beta$-Heterokomplexe durch spezifische Wechselwirkung von Thr513-Gln17 und Lys499-Asp33, was auch durch unsere MD-Simulation bestätigt wird. Unsere Simulationsergebnisse stimmen perfekt mit den experimentellen Beobachtungen überein.

Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit den Aquaporinen aus der Familie der Tonoplast Intrinsic Proteins (TIP). Diese Proteine sollen für eine erleichterte Permeation von Wasser und Ammoniak durch die Vakuolenmembran von Pflanzen verantwortlich sein. Das Experiment deuten darauf hin, dass die Durchlässigkeit von Wasser und Ammoniak durch Aquaporin AtTip2;1 in der Gelphase geringer ist als in der Flüssigphase. Wir haben 3 $\mu$s lange klassische MD-Simulationen in zwei Lipidphasen durchgeführt. Zu jeder Lipidphase wurden drei Sätze von Simulationen durchgeführt: (1) reines Wassersystem, (2) System mit 1000 NH$_3$ und (3) System mit 1000 NH$_4^+$. Im Gegensatz zu den experimentellen Beobachtungen zeigt unsere MD-Simulation auch eine geringere Durchlässigkeit von NH$_3$ und H$_2$O in der Gelphase des Lipids. Die Permeabilität von NH$_3$ durch AtTIP2;1 in der Gelphase des Lipids ist in unserer Simulation erheblich blockiert, was ebenfalls mit experimentellen Daten übereinstimmt. Obwohl NH$_4^+$-Ionen das AtTIP2;1 nicht durchdringen, zeigt unsere Simulation eine Verringerung der Permeabilität des H$_2$O um die Hälfte im Vergleich zum reinen Wassersystem in der Flüssigphase, was auch durch Experimenten gestützt wird.

Interactions between membrane proteins or peptides play a central role in many biochemical processes such as signal reception, enzyme inhibition, transport of various solutes across the membrane, and protein activation by signal transduction. The purpose of the present study was to examine the structural, physical, and atomistic properties of biomolecules embedded in phospholipid bilayers with the aid of computer-based simulations.

The first part of this work aims to provide mechanistic details about water transfer and proton transfer reactions in the tetrameric charge zipper TisB assembly of peptides embedded in a bilayer. ... mehr The formation of persister cells are among the most important strategies employed by a bacterial population to get rid of antibiotic treatment and external stress. E. coli overproduces the amphiphilic $\alpha$-helical peptide TisB (toxic protein) into the inner membrane, which further leads to the formation of biofilms. Consequently, the electrochemical gradient on the membrane of the bacterial cell is obstructed. We have performed a long all-atom simulation of selected structures and employed enhanced sampling simulation to study the water transfer facilitated by the polar interface of the TisB assembly. Further, we have employed QM/MM simulations to study the detailed molecular mechanism and energetics of the transport of protons.

The second part of this work focuses on the structural analysis of the tetrameric and hexameric E5-PDGFR$\beta$ complex. Through highly specific interactions between the transmembrane helices, the platelet-derived growth factor receptor PDGFR$\beta$ is activated by the oncoprotein E5. We performed 2 $\mu$s long classical MD simulations with three different sets of protocols. Our MD simulation results were complimented by experimental findings from the group of Prof. Dr. Anne S. Ulrich from KIT. The proposed tetrameric and hexameric models were suggested to form E5-PDGFR$\beta$ heterocomplexes, through specific interaction of Thr513-Gln17 and Lys499-Asp33, which is also supported by our MD simulation. Our simulation results match perfectly with the experimental observation.

The third part of this work focuses on the aquaporins derived from the Tonoplast Intrinsic Proteins family (TIP). These proteins are proposed to be responsible for facilitating the permeation of water and ammonia across the vacuolar membrane of plants. The experiment suggests a lower permeability of water and ammonia across gel phase lipid through aquaporin AtTip2;1 as compared with liquid phase lipid. We have performed 3 $\mu$s long classical MD simulations in two phases of lipid. Each phase of lipid consists of three batches of simulations: (1) pure water system, (2) system containing 1000 NH$_3$, and (3) system containing 1000 NH$_4^+$. This was also supported by our MD simulation, which was consistent with what we saw in the experimental data, showing a lower permeability of NH$_3$ and H$_2$O in gel phase lipid. The permeability of NH$_3$ across AtTIP2;1 in gel phase lipid is substantially blocked in our simulation, which is also in line with the experiments. Though NH$_4^+$ ions did not pass through the AtTIP2;1 our simulation shows a decrease in the permeability of the H$_2$O by half in comparison to the permeability of water in the pure water system in the liquid phase, which is further supported by experiments.