Hydration layer dynamics and association mechanisms of food and antifreeze proteins: a molecular dynamics and transition path sampling study

Abstract

Billions of protein association events occur in our body per unit of time, such as the ones regulating cell communication, signalling pathways, or in initiating a self-assembly process, such as tissue fabrication, etc. The timescale of such transitions is slow (microsecond-seconds), compared to atom vibrations (fs),side chain motions (ps-ns) and such events are termed rare, the reason being that protein or/and solvent interactions have to be disrupted and reformed in order for the transition to occur. Having an atomistic insight into rare transitions and their respective important interactions is pivotal for understanding and experimentally controlling such processes. Water is an important agent on its own in facilitating protein folding, recognizing ice crystal planes (anti-freeze proteins) and in mediating protein association. The aim of my doctoral thesis is threefold. First to better understand the role of water at the hydration shell of single proteins in terms of structure and dynamics, secondly to understand the association and first steps of self-assembly mechanisms of food and anti-freeze proteins, and thirdly to understand the role of water during the association mechanism. By performing Molecular Dynamics, we are able to investigate the H bond structure (tetrahedral order parameter) and (reorientation/escape) dynamics of water around hydrophilic and hydrophobic protein groups, as well as the effect of unfolding on the water dynamics. We are able to correlate water reorientation dynamics with the H-bond structure at the hydration shell of anti-freeze proteins. Moreover, by employing Transition Path Sampling and Molecular Dynamics we study how anti-freeze peptides self-assemble into nanotubes, as well as their stability as a function of size. We further study the dimerization mechanism of globular proteins, the important interactions playing a role during the transition as well as the role of water as a reaction coordinate along dimer (un)binding. In order to do so, since the dimerization transition is rare, and the transition barrier is asymmetric, we develop and employ a novel Transition Path Sampling shooting scheme that efficiently samples rare transitions in molecular simulation (with asymmetric barriers which simultaneously gives access to the transition state region.

Δισεκατομμύρια γεγονότα αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών συμβαίνουν στο σώμα μας ανά μονάδα χρόνου, όπως αυτά που ρυθμίζουν την κυτταρική επικοινωνία, τα ενδοκυτταρικά μονοπάτια σηματοδότησης ή την έναρξη της διαδικασίας αυτοσυναρμολόγησης (self-assembly), όπως η κατασκευή ιστών, κ.λπ. Ο χρόνος τέτοιων διεργασιών/μεταβάσεων είναι αργός (μs-s), σε σύγκριση με τις δονήσεις ατόμων (fs), κινήσεις αμινοξικών πλευρικών αλυσίδας (ps-ns) και τέτοια συμβάντα ονομάζονται σπάνια. Η αιτία αυτού του εύρους χρονικών διεργασιών είναι ότι οι αλληλεπιδράσεις των πρωτεΐνη ή/και του διαλύτης πρέπει να διαταραχθούν και να αναδημιουργηθούν προκειμένου να πραγματοποιηθούν πιο σπάνιες διεργασίες/μεταβάσεις. Γνώση των ατομικιστικών αλληλεπιδράσεων αλλά και των αντίστοιχων σπάνιων μεταβάσεων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση και τον έλεγχο τους μέσω πειραμάτων. Το νερό είναι σημαντικός παράγοντας που διευκολύνει την αναδίπλωση των πρωτεϊνών, συμμετέχει στην αναγνώριση κρυστάλλων πάγου (αντιπηκτικές πρωτεΐνες) και διαμεσολαβεί τις αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών. Ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι τριπλός. Πρώτα για να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο της δομής και δυναμικής του νερού στη στοιβάδα ενυδάτωσης μεμονωμένων πρωτεϊνών, δεύτερον για να κατανοήσουμε το μηχανισμό πρόσδεσης και τα πρώτα βήματα του μηχανισμού αυτοσυναρμολόγησης διατροφικών και αντιψυκτικών πρωτεϊνών, και τρίτον να κατανοήσουν τον ρόλο του νερού αυτών των μηχανισμών. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, είμαστε σε θέση να διερευνήσουμε και να συσχετίσουμε τη δομή δεσμών υδρογόνου (παράμετρος τετράεδρής τάξης) με τη δυναμική αναπροσανατολισμού του νερού γύρω από υδρόφιλες και υδρόφοβες πρωτεϊνικές ομάδες, καθώς και την επίδραση της πρωτεϊνικής αναδίπλωσης στη δυναμική του νερού. Επιπλέον, με τη χρήση Δειγματοληψίας Μεταβατικών Τροχιών (Transition Path Sampling) και Μοριακής Δυναμικής (Molecular Dynamics) μελετούμε ατομιστικά το μηχανισμό αυτοσυναρμολόγησης αντιπηκτικών πεπτιδίων σε νανοσωληνίσκους, καθώς και τη θερμοδυναμική σταθερότητά τους σε συνάρτηση με το μέγεθος τους. Τέλος, μελετήσαμε τον μηχανισμό διμερισμού σφαιρικών πρωτεϊνών, χαρακτηρίσαμε τις σημαντικές αλληλεπιδράσεις που καταλύουν τη διεργασία καθώς και το ρόλο του νερού ως συντεταγμένης αντίδρασης κατά τη συσσωμάτωση του διμερούς. Αυτό έγινε εφικτό με την ανάπτυξη και χρήση καινοτόμας υπολογιστικής μεθοδολογίας Μοντε Καρλο δειγματοληψίας μεταβατικών τροχιών η οποία δειγματοληπτεί αποτελεσματικά σπάνιες μοριακές μεταβάσεις (με ασύμμετρα ενεργειακά φράγματα) που δίνει ταυτόχρονα πρόσβαση στην περιοχή μεταβατικής κατάστασης (transition state region).