Structural Studies of Biomolecular Systems with Molecular Dynamics Simulations
Creators: name: Schneider, Violetta Franziska Roswitha
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Molecular-Dynamics Simulations
MD
coarse-grained
Computerchemie
Gromacs
Martini
DAFT
Peptide
Lipidmembranen
Peptid-Lipid-Interaktionen
tisB
BsrG
stress-induziertes Peptid
toxin-antitoxin system
Bakterien
Strukturbiologie
structural studies
GRK 2039
hydrophobic peptides
charge zipper
hydrogen bond zipper
arabino- ribo- configured RNA dyes
energy transfer
siRNA
persister cells
traffic lights
fluorescent siRNA

description: In vorliegender Arbeit wurden computerbasierte Simulationen eingesetzt, um verschiedene strukturelle Eigenschaften und Dynamiken von Biomolekülen aufzuklären. 
Die bearbeiteten Themen resultieren aus Kooperationen innerhalb des Graduiertenkolleges 2039 Molekulare Architekturen für die fluoreszente Bildgebung von Zellen. Dabei wurden sowohl klassische Molekulardynamik (MD)-Simulationen verwendet als auch Simulationen mit Verwendung sogenannter coarse-grained-Ansätze, bei denen mehrere Atome zu größeren Einheiten zusammengefasst werden.
Aus dem Gebiet der Peptid-Membran-Wechselwirkungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Ulrich (KIT) zwei hydrophobe Peptide aus Typ I Toxin-Antitoxin-Systemen bearbeitet. 
Im Mittelpunkt von Kapitel 3 steht das stress-induzierte Peptid tisB (29 Aminosäuren) aus E. coli, welches die Formation von Biofilmen bewirkt und den elektrochemischen Gradienten an der Bakterienzellmembran stilllegen kann.
Es wurden Studien der Assemblierung des Peptides tisB als paralleles Dimer und Tetramer in der Lipidmembran durchgeführt. Die anschließenden langen Simulationen ausgewählter Strukturen wurden mit experimentell gefundenen Ergebnissen verglichen, wobei das Hervortreten des charge zipper-Motivs als Interaktionsmotiv bestätigt werden konnte.  
Für das Dimer und das Tetramer konnten erstmals Strukturen für einen möglichen Protonentransfer über die Membran aufgespürt werden. Das Tetramer zeichnet sich durch seinen Aufbau aus zwei antiparallelen tisB-Dimeren aus, welches einen ständigen Wasserfaden über das entstandene polare Interface erlaubt, und erscheint als sehr vielversprechende Ausgangsstruktur für mögliche Protonentransferstudien. 
In Kapitel 4 sind erste strukturelle Studien zum Peptid bsrG (38 Aminosäuren) aus B. subtilis dargestellt. Es konnte gezeigt werden, dass bsrG als Monomer nicht in Lipidmembranen integriert, aber an die Oberfläche assoziiert ist. Die polaren Aminosäuren sind dabei zum Wasser hin ausgerichtet. Mittels Assemblierungsstudien des Peptides als Dimer in der Lipidmembran konnten stabile parallele und antiparallele Strukturen eluiert werden, die mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmen und das Bindungsmotiv des hydrogen bond zipper zeigen. In Zusammenarbeit mit den Arbeitskreisen Wagenknecht, Nienhaus und Schepers (alle KIT) wurden MD-Simulationen zur Aufklärung des unterschiedlichen Verhaltens zweier Doppelstrang-RNA-Konstrukte mit FRET-Farbstoffen (arabino- und ribo-Konfiguration) bei der Effizienz des FRET-Transfers eingesetzt (Kapitel 5).
MD-Simulationen konnten aufzeigen, dass dieser Unterschied in der Effizienz auf Grundlage der erhöhten Mobilität der arabino-konfigurierten Farbstoffe zu erklären ist, im Gegensatz zu den sehr stark wechselwirkenden und unbeweglichen ribo-konfigurierten Farbstoffen. Jene Mobilität ermöglicht einen effizienten Energietransfer zwischen den Farbstoffen, der zu FRET führt.