Constant-pH Molecular Dynamics and Applications

QC 2024-05-16

Abstract

Även om det länge har varit känt att pH spelar en viktig roll inom biologin, var det först under 1900-talet som människor insåg att pH kan ha stor påverkan på vilken struktur och funktion proteiner har på molekylär nivå. Ett vanligt problem vid studier av pHs effekt på proteiner är att experimentella tekniker, såsom röntgenkristallografi och kryoelektronmikroskopi, ofta saknar den upplösning som krävs för att bestämma protoneringsstadierna hos titrerbara aminosyror. Även med neutronspridningsmetoder, som teoretiskt sett har tillräcklig upplösning för att detektera enskilda protoner, motsvarar inte den elektrostatiska miljön i en kristall eller gitter nödvändigtvis den cellulära miljön. Där experimentella metoder inte räcker till kan in silico-tekniker som molekyldynamik (MD)-simuleringar ge ytterligare insikter. Dock fångas pH normalt sett inte dynamiskt in i klassiska MD-simulationer. Istället sätts protoneringsstadierna för titrerbara platser som asparagin- och glutaminsyra vanligtvis i början av simulationen och förblir konstanta under hela simulationen. Trots betydande ansträngningar inom MD-området för att modellera protonering mer realistiskt har en heltäckande och effektiv konstant-pH-implementering i GROMACS hittills saknats.

Syftet med detta arbete var att implementera en kontinuerlig konstant-pH-metod i GROMACS, att förbättra användarvänligheten för sådan metodik för GROMACS-användare och att tillämpa en sådan metodik för att studera pH-styrda jonkanaler. Utifrån detta kan arbetet som presenteras i denna avhandling delas in i tre delar. Först diskuterar jag i artikel I och II implementeringen av en λ-dynamikbaserad konstant-pH-algoritm i GROMACS, samt flera viktiga metodologiska aspekter. Därefter presenterar jag i artikel III phbuilder, ett Python-baserat verktyg för simuleringsgenerering som automatiserar den ofta komplicerade, omständliga och felbenägna processen att konfigurera konstant-pH-simulationer i GROMACS. Slutligen undersöker jag i artikel IV och V hur konstant-pH-metoden kan användas för att bättre förstå pH-styrningsmekanismen hos de bakteriella jonkanalerna GLIC och sTeLIC.

Arbetet som presenteras i denna avhandling har bidragit till både metodologiska och tillämpade aspekter inom MD-området. Jag har hjälpt till att utveckla och implementera en λ-dynamikbaserad konstant-pH-metod i GROMACS, och jag har gjort en sådan metodik tillgänglig för den bredare GROMACS-användargruppen genom att tillhandahålla ett verktyg som automatiserar dess installationsprocess. På den tillämpade sidan har jag visat genomförbarheten av konstant-pH-implementeringen för att studera stora och komplexa proteinsystem, såsom jonkanaler, och vidareutvecklat vår förståelse för pH-medierad gating hos GLIC och sTeLIC.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346447