Modeling environment effects on spectroscopic properties of biomarkers and catalytic mechanisms in enzymes

Tid: On 2020-02-12 kl 13.00

Plats: FB55, Roslagstullsbacken 21, Stockholm (English)

Ämnesområde: Teoretisk kemi och biologi

Respondent: Camilla Gustafsson , Teoretisk kemi och biologi, Tillämpad fysikalisk kemi, Royal Institute of Technology

Opponent: Assistant Professor Daniel Escudero, KU Leuven, Department of Chemistry

Handledare: Professor Patrick Norman, Teoretisk kemi och biologi

Abstract

Behovet av bättre diagnostiska verktyg för att kunna detektera olika åldersrelaterade sjukdomar ökar. Samtidigt ökar behovet av mer miljövänliga sätt att syntetisera olika typer av kemikalier.

Neurodegenererande sjukdomar som påverkar hjärnan leder till olika typer av demens. Den vanligast förekommande formen är Alzheimers, som 50 miljoner människor uppskattas vara drabbade av. Detta är en dubblering av antalet sjukdomsfall som för 30 år sedan. I dagsläget finns inget botemedel mot Alzheimers, men det finns läkemedel som kan bromsa utvecklingen av symptomen. För att kunna starta behandlingen så tidigt som möjligt är det kritiskt att ha tillgång till biomarkörer för att kunna detektera de felveckade proteinerna som orsakar symptomen innan utvecklingen har gått för långt.

Med hjälp av simuleringar kan en djupare förståelse för de spektroskopiska egenskaperna hos fluoroscerande biomarkörer uppnås. De kunskaperna kan bidra till att styra designen av nya biomarkörer som är optimerade för att kunna detektera olika typer av sjukdomsassocierade proteiner. Luminiscerande konjugerade oligotiofener (LCO) är en grupp molekyler som binder till aggregat av felveckade amyloid- proteiner, och därmed möjliggör in vivo-detektion av de patologiska kännetecknen av Alzheimers. Genom molekyldynamiksimuleringar (MD) och efterföljande responsberäkningar av en LCO, kunde de spektroskopiska profilerna för inbunden och fri biomarkör undersökas. Det visade sig att det största bidraget härstammar från molekylernas konformation, och att bidrag från Coulomb-interaktioner mellan biomarkör och omgivningen är försumbara. Genom att introducera andra molekylära enheter istället för den centrala thiophenringen erhölls biomarkörer med ett bredare detektionsområde. Beräkningarna kunde också belysa problem med att den experimentellt detekterade signalen från två-foton spektroskopi till största delen ligger utanför det detekterade området, och att för att kunna öka möjligheterna för detektion bör designen av biomarkörer förskjutas mot molekyler som emitterar ljus vid längre våglängder.

Den andra delen av det här arbetet är centrerat kring hur punktmutationer i enzym påverkar flödet av vatten i den aktiva siten. Ett ändrat flöde föreslås påverka katalysen som utförs av enzymen. De enzym som är studerade tillhör olika enzymklasser, och katalyserar olika reaktioner. Squalene hopene cyclas (SHC) är ett monotopiskt membranenzym som katalyserar omvandlingen av skvalen till hopen. !-transaminas katalyserar reaktionen som överför en aminogrupp och en ketogrupp mellan en aminosyra och en ketosyra. För båda enzymer har punktmutationer introducerats, vilket lett till experimentellt observerade skillnader i egenskaper jämfört med respektive enzyms vildtyp (WT). Från MD simuleringar kunde flödet av vatten i den aktiva siten jämföras mellan WT och de muterade varianterna, och distinkta skillnader av vattenflöden i den aktiva siten kunde identifieras. Det ändrade flödet föreslås påverka enzymets katalytiska förmåga, vilket kan bidra till att förklara de experimentellt observerade skillnaderna hos varianterna.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-266480