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Untersuchung von Protonentransfer-Pfaden in Bakteriorhodopsin mit Multi-Längenskalen-Simulationen
Get PDFBacteriorhodopsin is a light-activated ion-pumping protein in which one proton is transferred across the cell membrane through a photocycle. Despite the knowledge gained from numerous crystallographic and spectral studies, several issues remain unclear that are essential for an understanding of the proton transfer (PT) mechanism in bacteriorhodopsin. In the current work, multi-length-scale computer simulations using a hybrid quantum mechanics/molecular mechanics approach were carried out to investigate three unsolved problems associated with the late photocycle events in bacteriorhodopsin. The identity of the proton release group (PRG) has been controversial. Recent FTIR as well as simulation studies suggested the PRG to be formed by a protonated water cluster stabilized by surrounding protein groups including Glu194 and Glu204, with a characteristic continuum band. The simulations carried out in this work show that a proton partially delocalized between Glu194 and Glu204 residues gives rise to a continuum band similar to that observed in the FTIR studies. The proposed model of the PRG is also consistent with the structural models suggested by X-ray crystallography. In bacteriorhodopsin, the last photocycle step occurs during the O-to-bR transition. Extensive minimum energy path calculations augmented with UV-Vis and vibrational normal mode analysis were carried out to investigate the structural details of the O state. The simulations indicate that the retinal is twisted in the O state and atleast three water molecules are present in the active site of the O state. The results also suggest that O-to-bR transition could indeed involve a transient O state characterized by deprotonated Asp85 and protonated Asp212. Minimum energy path calculations were carried out to investigate the long-range PT that takes place during O-to-bR transition. The results indicate that Arg82 is more likely to adopt an extracellular orientation in the O state which can enable the formation of a chain of hydrogen bonded water molecules in the active site.Bakteriorhodopsin ist ein lichtaktiviertes, ionenpumpendes Protein, in dem ein Proton in einem Photozyklus durch die Zellmembran geleitet wird. Trotz des Wissens aus zahlreichen kristallographischen und spektroskopischen Studien gibt es noch einige unklare Punkte, die essentiell für das Verständnis des Protonentransfer(PT)-Mechanismus sind. In dieser Arbeit wurden Multi-Längenskalen-Computer-Simulationen mit einem hybriden Quantenmechanik/Molekularmechanik Ansatz durchgeführt, um drei ungelöste Probleme in Verbindung mit den späten Schritten im Photozyklus von Bakteriorhodopsin zu untersuchen. Die Zusammensetzung der Protonenabgabegruppe (PRG) ist unklar. Jüngste FTIR- sowie Simulations-Studien schlagen vor, dass die PRG aus einem protonierten Wasser-Cluster mit einer charakteristischen Kontinuum-Bande besteht, der von dem umgebenden Protein (Glu194 und Glu204) stabilisiert wird. Die Simulationen dieser Arbeit zeigen, dass ein teilweise zwischen Glu194 und Glu204 delokalisiertes Proton der Grund für eine Kontinuum-Bande ähnlich der in FTIR-Studien beobachteten sein kann. Das vorgeschlagene Modell der PRG ist auch konsistent mit Strukturmodellen, die von Kristallographen vorgeschlagen wurden. In Bakteriorhodopsin findet der letzte Photozyklus-Schritt im O-zu-bR Übergang statt. Umfangreiche Minimal-Energie-Pfad-Berechnungen unterstützt von UV-Vis und Schwingungsanalyse wurden durchgeführt, um die strukturellen Details des O-Zustandes zu untersuchen. Die Simulationen deuten darauf hin, dass das Retinal im O-Zustand verdreht ist und mindestens drei Wasser-Moleküle in der aktiven Region vorliegen. Des Weiteren könnte der O-zu-bR Übergang noch einen transienten O-Zustand beinhalten, der durch ein deprotoniertes Asp85 und protoniertes Asp212 charakterisiert ist. Es wurden Minimal-Energie-Pfad-Berechnungen durchgeführt, um den langreichweitigen PT zu untersuchen, der während des O-zu-bR-Überganges stattfindet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Arg82 im O-Zustand wahrscheinlicher eine extrazelluläre Orientierung einnimmt, die die Bildung einer Kette von wasserstoffverbrückten Wassermoleküle in der aktiven Region ermöglicht
Molekulardynamik Simulationen Photoaktivierter Prozesse in kondensierter Phase
Get PDFUnderstanding light-driven processes in condensed phase is a major goal of the bio- and nanosciences. The underlying molecular mechanisms in terms of the molecular dynamics are typically governed by sub-picosecond atomic motion. Such ultra-fast timescales are very challenging to probe by experiment. The present thesis aimes at characterizing by means of molecular dynamics (MD) simulations the molecular mechanisms of three photochemical processes in condensed phase, the photoswitching mechanism of the fluoroprotein asFP595, the deactivation of an excited cytosine-guanine DNA base pair, and the optical contraction of a photoswitchable polyazobenzene peptide. Our simulations provide detailed structural and dynamic information about these processes at a resolution well beyond what is achievable experimentally. By using an ab initio QM/MM excited state MD strategy together with explicit surface hopping (asFP595 and DNA) and force-probe MD (polyazobenzene peptides), it was not only possible to quantitatively explain experimental results (such as quantum yields, excited state lifetimes, and force-extension curves), but also to make predictions that are rigorously testable, and in parts have already been tested, by experimental means. The detailed understanding of the molecular mechanism is a key step towards the rational improvement and design of photoactivatable systems, as exemplarily demonstrated for a polyazobenzene peptide.Licht-getriebene Prozesse in kondensierter Phase im Detail zu verstehen ist ein Hauptziel der Bio- und Nanowissenschaften. Die molekulare Dynamik der zu Grunde liegenden Mechanismen läuft typischerweise auf der sub-Pikosekunden Zeitskala ab. Derart ultra-schnelle Atombewegungen sind experimentell nur sehr schwer zu erfassen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, an Hand von Molekulardynamik (MD) Simulationen die molekularen Mechanismen von drei verschiedenden photochemischen Prozessen in kondensierter Phase aufzuklären, den Photoschalt-Mechanismus des Fluoroproteins asFP595, die Deaktivierung eines angeregten Cytosin-Guanin DNA Basenpaares, und die optische Kontraktion eines photoschaltbaren Polyazobenzol Peptides. Unsere Simulationen liefern detaillierte strukturelle und dynamische Informationen über diese Prozesse mit einer Auflösung, die jenseits der experinmentell erreichbaren Genauigkeit liegt. Die Anwendung von ab initio QM/MM MD Simulationen im lichtangeregten Zustand zusammen mit einem diabatischen surface hopping Algorithmus (asFP595 und DNA) und force-probe MD (Polyazobenzol Peptide) ermöglichte es nicht nur, experimentelle Ergebnisse quantitativ zu erklären (Quantenausbeuten, Lebenszeiten des angeregten Zustandes, Kraft-Auslenkungs Kurven), sondern auch Vorhersagen zu treffen, die experimentell überprüfbar sind und zum Teil auch schon überprüft wurden. Das Verständinis des molekularen Mechanismus ist ein Schlüsselschritt auf dem Weg zum rationellen Design photoschaltbarer Systeme, wie in dieser Arbeit beispielhaft für ein Polyazobenzol Peptid demonstriert
Theoretical Investigation on the Biomolecular Systems using Multiscale Modelling
Get PDFDie Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist für biomolekulare Systeme von entscheidender Bedeutung und eine Herausforderung. Insbesondere haben traditionelle Laborexperimente oft Schwierigkeiten, die Mechanismen der Reaktionen zu erklären, während klassische theoretische Berechnungsmethoden Defizite im Umgang mit der System- und Zeitskala biomolekularer Systeme aufweisen. In dieser Arbeit werden sogenannte enhanced Sampling-Methoden auf der Grundlage von Molekulardynamiksimulationen (MD) und Algorithmen für künstliche neuronale Netze (ANN), die auf semi-empirischen quantenmechanischen (QM) Ansätzen beruhen, zur Untersuchung verschiedener biomolekularer Systeme eingesetzt.
Im ersten Teil wurde die Wirt-Gast-Chemie von [4+4]- und [2+3]-Iminkäfigen untersucht. Bei der Untersuchung von [4+4]-Käfigen wurde der Aufnahmeprozess von unterschiedlich großen Ammoniumionen in Käfigen mit alternativen Volumina durch wohltemperierte Metadynamik (MetaD) simuliert. Es wurden drei mögliche Mechanismen vorgeschlagen, um die Gastaufnahmeprozesse zu erklären. Bei der Untersuchung von [2+3]-Käfigen wurde der Stickstoffmolekültransfer in drei verschiedenen Käfigkristallen mit Funnel-Metadynamik (FM) berechnet. Die erhaltenen freien Energieflächen deuten auf die Existenz von zwei möglichen Wegen hin, auf denen der Stickstofftransfer erfolgen kann.
Im zweiten Teil wurde eine neuartige Fluoreszenzsonde auf der Basis eines Glukose bindenden Proteins untersucht. Ein detailliertes molekulares Verständnis der Veränderungen an der Glukosebindestelle aufgrund von Mutationen und deren Auswirkungen auf die Glukosebindung wurde durch MD-Simulationen erreicht. Die Energetik der Dissoziation von Protein und Glukose wurde aufgedeckt und stimmte mit den experimentellen Ergebnissen überein.
Schließlich wurde eine Reihe von künstlichen neuronalen Netzen (ANNs) trainiert, um die falsche Darstellung von angeregten Zuständen durch LC-DFTB zu korrigieren, wenn Energieniveaus kreuzen. Die meisten der trainierten Maschinen sind in der Lage, die durch LC-DFTB verursachten Fehler bei der Beschreibung des angeregten Zustands zuverlässig zu korrigieren, während die für Farbstoffgeometrien in Wasser trainierte Maschine weniger genaue Ergebnisse liefert und weiteres Training erfordert
Optische Anregungen in Biologischen Systemen: Multiskalen-Simulations-Strategien und Anwendungen an Rhodopsinen
Get PDFIn this work, novel computational approaches are developed for the quantitative calculation of optical properties of chromophores in biologic systems. To investigate the influence of interactions between a chromophore and its molecular environment (protein, membrane, solvent), different theoretical approaches, which describe the matter at different length- and timescales, in a "multi-scale approach", which is tested on proteins of the rhodopsin family. In these proteins, acting as visual pigments or light-driven proton pumps in halobacteria, the optical absorbtion maximum of retinal is shifted over a wide spectral range.
For the quantum mechanical (QM) description of the chromophore, appropriate approximations are found, which correctly describe its response (geometry, optical spectrum) to steric and electrostatic interactions. Here, shortcomings of time-dependent density functional theory and the role of static and dynamic correlation are analyzed.
The conventional QM/MM scheme, which combines the QM description of the chromophore with a molecular-mechanical (MM) description of the environment, is extended to achieve a self-consistent mutual polarization of QM and MM fragments. For this purpose, an interacting atomic induced dipole model is implemented and assessed for application in polypeptides. This polarization model is integrated in a multi-state QM/MM scheme for the calculation of excitation energies, which
incorporates the instantaneous polarization response of the protein/solvent environment to the excitation-induced charge redistribution on the chromophore. Moreover, the effects of charge transfer and dispersive interactions on the optical spectrum is investigated, and simple tests are proposed to predict the relevance of these effects and make an optimal choice for the QM region in a particular system.In dieser Arbeit werden neue computergestützte Ansätze für die quantitative Berechnung der optischen Eigenschaften von Chromophoren (CHR) in biologischen Systemen entwickelt. Um den Einfluss der Wechselwirkungen (WW) zwischen CHR und dessen molekularer Umgebung (Protein, Membran, Solvent) zu untersuchen, werden verschiedene theoretische Ansätze, welche die Materie auf unterschiedlicher Längen- und Zeitskala beschreiben, in einem "Multiskalen-Ansatz" kombiniert, der an Proteinen der Rhodopsin Familie getestet wird. In diesen Proteinen, die als Sehpigmente oder Licht-getriebene Ionenpumpen in Halobakterien dienen, wird das Absorptionsmaximum des Retinals im optischen Spektrum über einen weiten Wellenlängenbereich verschoben.
Für die quantenmechanische (QM) Beschreibung des CHR werden Näherungen gesucht, welche die Reaktion des CHR (Geometrie, Absorptionsspektrum) auf sterische und elektrostatische WW korrekt beschreiben. Dabei werden u.a. Defizite der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie und die Rolle statischer und dynamischer Elektronenkorrelation analysiert.
Das übliche QM/MM-Schema, welches die QM Beschreibung des CHR mit einer molekular-mechanischen (MM) Beschreibung der Umgebung verbindet, wird erweitert, um eine selbst-konsistente gegenseitige Polarisation von QM und MM Fragment zu erreichen. Zu diesem Zweck wird ein Modell wechselwirkender atomarer induzierter Dipole implementiert und für die Anwendung an Polypeptiden getestet. Dieses Polarisationsmodell wird in ein QM/MM-Schema zur Berechnung vertikaler Anregungsenergien integriert, welches die instantane Polarisations-Antwort des Protein-Solvent-Systems auf die anregungsinduzierte Ladungsumverteilung auf dem CHR einbezieht. Ferner wird der Einfluss von Ladungstransfer und dispersiven WW auf das optische Spektrum untersucht und einfache Tests vorgeschlagen, um die Relevanz dieser Effekte vorherzusagen und die optimale Wahl der QM-Zone für das zu untersuchende System zu finden
Computation of optical properties of chromophores in different environments using QM/MM methods
Get PDFDie theoretische Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Molekülen und Licht kann herausfordernd sein, insbesondere dann, wenn es sich um flexible Farbstoffe in einer komplexen und dynamischen Umgebung handelt.
Obgleich quantenmechanische (QM) Methoden den angeregten Zustand eines Moleküls beschreiben können, sind sie zu rechenaufwändig, um strukturelle Fluktuationen simulieren zu können. Darüber hinaus ist die mögliche Systemgröße, die beschrieben werden kann, durch die Rechenkosten begrenzt. Aus diesem Grund kommen für die Untersuchung von Farbstoffen in Proteinumgebung semiempirische und Multiskalenansätze ins Spiel.
Die semiempirische Time-Dependent Long-range Corrected Density Functional Tight Binding (TD-LC-DFTB2) Methode wurde als effiziente Alternative zu ab initio Methoden oder der Dichtefunktionaltheorie in Bezug auf Geometrien im angeregten Zustand und Anregungsenergien getestet. Sie wurde in QM/MM Simulationen angewandt, in denen sie einen angeregten Fluorophor beschrieb, dessen Umgebung von einem klassischen Kraftfeld beschrieben wurde. Diese neue Strategie für die Untersuchung von Fluoreszenz wurde sorgfältig anhand von Literaturergebnissen bewertet, indem die Ergebnisse sowohl mit experimentellen als auch mit theoretischen Studien, die auf anderen Ansätzen basieren, verglichen wurden. Es wurde herausgefunden, dass TD-LC-DFTB2 im Allgemeinen Geometrien und Anregungsenergien von ausreichender Qualität liefert, aber es wurden auch einige Schwächen entdeckt.
Außerdem wurde ein optischer Glukosesensor untersucht, der aus dem Glukosebindeprotein und einem angefügten Fluorophor besteht. Mit Hilfe von klassischen Molekulardynamiksimulationen (MD Simulationen) konnten Zusammenhänge zwischen der Anwesenheit von Glukose, den Proteinkonformationen und dem Aufenthaltsort des Farbstoffs gefunden werden. Daraus ergab sich ein starker Hinweis auf die Funktionsweise des Sensors.
Schließlich wurde der Energietransfer in einem Pigment-Protein-Komplex untersucht. Der Fenna-Matthews-Olson-Komplex von Photosynthese betreibenden grünen Schwefelbakterien beinhaltet mehrere Bakteriochlorophyll a -- Pigmente in seinem Proteingerüst. Diese leiten die im Chlorosome gesammelte Anregungsenergie mit erstaunlicher Effizienz zum Reaktionszentrum weiter. Es wird Vorarbeit für eine Simulation der Exzitonenpropagation durch den Komplex gezeigt. Anregungsenergien und die Kopplungen zwischen den Pigmenten, das heißt die Elemente des exzitonischen Hamiltonoperators, wurden mit TD-LC-DFTB2 für Strukturen aus klassischen MD Simulationen berechnet. Dadurch wurde ein Eindruck zu deren Entwicklung über die Zeit und den Einfluss der Proteinumgebung gewonnen. Weiterhin wurden diese Daten genutzt, um neuronale Netze zu trainieren, die Anregungsenergien und Kopplungen noch schneller als TD-LC-DFTB2 vorhersagen können
Computer Simulations and Explanations in the Nanosciences : A Philosophical Study
Get PDFDie Nanowissenschaften sind ein multi- und interdisziplinäres Forschungsfeld, das sich in den vergangenen Jahrzehnten stark entwickelt hat und erheblich durch den Einsatz von Computersimulationen geprägt ist. Die Welt der Nanowissenschaften wirft einige Herausforderungen auf und hält zahlreiche Überraschungen bereit. So zeigt Materie auf der Nanoskala oft ungewöhnliche und interessante Eigenschaften -- und in der Regel lassen sich Ansätze zur Beschreibung von Systemen auf Skalen der Alltagswelt nicht so einfach auf den nanoskaligen Bereich übertragen.
Sowohl in Anbetracht ihrer Phänomene als auch in Bezug auf die zu ihrer Untersuchung verwendeten Werkzeuge geben die Nanowissenschaften daher zu Fragen Anlass, die nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von philosophischem Interesse sind. Insbesondere stellt sich die Frage, was und auf welche Art und Weise eigentlich in den Nanowissenschaften erklärt wird -- und welche Rolle Computersimulationen dabei spielen.
Die vorliegende Arbeit nähert sich der Praxis der Nanowissenschaften aus wissenschaftsphilosophischer Perspektive und verfolgt dabei zwei übergeordnete Anliegen. Das primäre Ziel der Arbeit ist es, am Beispiel der Nanowissenschaften zu einer philosophischen Klärung der Rolle von Computersimulationen in Erklärungszusammenhängen beizutragen und dabei auch auf mögliche Vorbehalte hinsichtlich ihrer Eignung für das Ziel wissenschaftlicher Erklärungen zu reagieren. Neben einer Diskussion der Frage, ob und inwiefern die vielfach attestierte epistemische Opazität von Computersimulationen ihrem Einsatz zu Erklärungszwecken entgegensteht, widmet sich die Arbeit den konkreten Beiträgen, die Simulationen zu Erklärungen leisten können.
Das sekundäre Anliegen der Arbeit ist es, eine philosophische Perspektive auf Computersimulationen in den Nanowissenschaften vorzustellen, die ihren Ausgangspunkt in einer nahen Beschäftigung mit tatsächlicher Simulations- und Erklärpraxis findet. Auf diese Weise soll zu einem nuancierten Verständnis der Rolle von Computersimulationen und den in ihnen zum Einsatz kommenden Modellen beigetragen werden und Anknüpfungsmöglichkeiten für aktuelle Diskussionen gegeben werden, welche etwa Herausforderungen beim Erklären komplexer Phänomene oder das Verhältnis zwischen verschiedenen Beschreibungsebenen in Multiskalenkontexten betreffen.
Die philosophischen Studien dieser Arbeit sind dabei in großen Teilen an zwei Fallstudien orientiert, die jeweils unterschiedlichen für nanowissenschaftliche Forschung relevanten Wissenschaftszweigen entstammen; der Molekularbiologie einerseits und der physikalischen Chemie andererseits.
Auch wenn sich in der gegenwärtigen Wissenschaftsphilosophie ein Trend abzeichnet, philosophische Studien nah an tatsächlicher Wissenschaftspraxis zu orientieren, so wirft der philosophische Rekurs auf Fallstudien doch einige Herausforderungen auf, die etwa das Risiko von Übergeneralisierungen und Verzerrungen betreffen. Nach einer Einleitung wird daher im zweiten Kapitel der Arbeit erörtert, auf welche Art und Weise Fallstudien eine berechtigte Rolle in philosophischen Untersuchungen spielen können. Es wird vorgeschlagen, Fallstudien weniger als partikulare Ressourcen für induktive Verallgemeinerungen zu betrachten, sondern sie vielmehr als mögliche Ausgangspunkte zur Abstraktion zu verstehen. Mit diesem Alternativvorschlag verschieben sich allerdings auch die Fragen, zu deren Beantwortung der Rekurs auf Fallstudien dienlich erscheint. Statt der Suche nach einer übergeordneten Theorie wissenschaftlicher Erklärungen rückt etwa die Frage nach den Charakteristiken und Mustern unterschiedlicher Erklärungspraktiken in den Fokus.
Anschließend setzt sich das dritte Kapitel der Arbeit mit der vielfach attestierten Opazität von Computersimulationen auseinander. In philosophischen Diskussionen wurden Bedenken dahingehend geäußert, ob und wie Computersimulationen angesichts ihrer Opazität dazu geeignet sind, wissenschaftliche Erklärungen zu ermöglichen oder Verstehen zu befördern. Anhand eines Fallbeispiels, welches die biologische Funktion bestimmter Kanalproteine an den Membranen biologischer Zellen betrifft, diskutiert das Kapitel, ob die attestierte Opazität von Computersimulationen ihrem Einsatz zu Erklärungszwecken entgegensteht. Es wird aufgezeigt, dass Computersimulationen eine Schlüsselrolle für Erklärungen spielen können; und am Beispiel der Kanalproteine an Zellmembranen wird illustriert, wie sie ein effektives Instrument darstellen können, um mit der Komplexität molekularer Systeme umzugehen.
Im vierten Kapitel der Arbeit werden die verschiedenen Hinsichten, in denen Computersimulationen zu Erklärungen beitragen können, genauer in den Blick genommen. Ausgangspunkt bietet eine Fallstudie aus der physikalischen Chemie, welche das überraschende Vorkommen bestimmter Ionen an der Oberfläche von Wassertropfen in atmosphärischen Aerosolen betrifft. Es werden drei zentrale Hinsichten herausgestellt, in denen Computersimulationen zu wissenschaftlichen Erklärungen beitragen können. Erstens können Computersimulationen dazu dienen, kontrollierte und anderenfalls oft nicht durchführbare Manipulationen an komplexen Systemen vorzunehmen. Dies erlaubt es, gezielt zu überprüfen, welche Faktoren in Bezug auf das jeweils zu erklärende Phänomen einen Unterschied machen. Zweitens können Computersimulationen dabei helfen, systematisch von (atomistischen) Details zu abstrahieren und epistemischen Zugriff auf diejenigen Variablen zu erlangen, welche für Erklärungen besonders relevant sein können, da sie der Stabilität von Strukturen oder der Erwartbarkeit bestimmter molekularer Prozesse Rechnung tragen. Drittens können Computersimulationen eine Rolle für Erklärungen spielen, indem sie dabei helfen, für das Verhalten komplexer Systeme potentiell relevante Faktoren quantitativ besser zu beschreiben und damit ein detaillierteres Bild von der Gewichtung verschiedener Einflussfaktoren zu erhalten.
Zum Abschluss richtet das fünfte Kapitel der Arbeit ausblickend den Fokus auf gegenwärtige Diskussionen zu Multiskalensimulationen. Vielfach werden in den Nanowissenschaften Simulationen eingesetzt, bei denen Beschreibungen auf verschiedenen Zeit- oder Längenskalen miteinander verbunden werden. In der jüngeren Vergangenheit wurde die Entwicklung und der erfolgreiche Einsatz von Multiskalensimulationen in den Wissenschaften -- besonders in den Nanowissenschaften -- zum Anlass in der Wissenschaftsphilosophie genommen, um Zweifel an der Angemessenheit traditioneller Ansätze zur Charakterisierung des Verhältnisses verschiedener Beschreibungsebenen zueinander anzumelden. Diese Diskussionen aufgreifend untersucht das Kapitel die Zusammenarbeit verschiedener Theorien und Modelle in Multiskalensimulationen. Auf einen vieldiskutierten Vorschlag bezugnehmend, demzufolge Modelle als teilweise autonome Vermittlungsinstanzen zwischen Theorien und der Welt zu verstehen sind, unterstreicht das Kapitel, inwiefern die Verbindung verschiedener Teilmodelle in Multiskalensimulationen das Ergebnis einer Reihe von Modellierungsschritte und -entscheidungen ist, die mehr als nur Theoriewissen erfordern
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Multiscale Molecular Dynamics Simulations of Histidine Kinase Activity
Get PDFZweikomponentensysteme (TCS), bestehend aus einer Sensorhistidinkinase (HK) und einem Antwortregulationsprotein, sind Schlüsselbausteine in bakteriellen Signaluebertragungsmechanismen. Die Fähigkeit von Bakterien auf eine breite Vielfalt von chemischen und physikalischen Stimuli angemessen zu reagieren ist ausschlaggebend für ihr Überleben. Es ist daher nicht überraschend, dass TCS zu den meistuntersuchten bakteriellen Proteinsystemen gehört. Sensorhistidinkinasen sind typischerweise in die Zellmembran integrierte, homodimere Proteine bestehend aus mehreren Domänen. Reizwahrnehmung an der Sensordomäne von HK löst eine Reihe von großskaligen Konformationsübergangen entlang der Domänen aus. Während sich die strukturellen Eigenschaften von verschiedenen HKs unterscheiden können, erhalten sie alle einen katalytischen ATP-bindenden Kern (CA) und dimerisierende Histidinphosphotransferdomänen (DHp). Während der Signalkaskade nimmt der Kern eine asymmetrische Konformation an, sodass die Kinase an einem der Protomere aktiv ist und die der anderen inaktiv. Das ermöglicht es dem ATP in einer der CA-Domänen seine -Phosphatgruppe an das Histidin der DHp abzugeben. Diese Phosphorylgrouppe wird anschließend an das Antwortregulationsprotein weitergegeben, die eine angemessene Reaktion der Zelle veranlasst.
In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Konformationsdynamik des Kinasekerns mithilfe von Molekulardynamiksimulationen (MD). Der Fokus der Arbeit liegt auf zwei verschiedenen HKs: WalK und CpxA. Wegen der Größe der Systeme und den erforderlichen biologischen Zeitskalen, ist es nicht möglich die relevanten Konformationsübergänge in klassischen MD-Simulationen zu berechnen. Um dieses Problem zu umgehen, verwende ich ein strukturbasiertes Modell mit paarweisen harmonischen Potentialen. Diese Näherung erlaubt es, den Übergang zwischen dem inaktiven und den aktiven Zustand mit wesentlich geringerem rechnerischen Aufwand zu untersuchen. Nachdem ich das System mithilfe dieses vereinfachten Modells erkundet habe, benutze ich angereicherte Stichprobenverfahren mit atomistischen Modellen um detailliertere Einsichten in die Dynamik zu gewinnen. Die Ergebnisse in dieser Arbeit legen nahe, dass das Verhalten der einzelnen Unterdomänen des Kinasekerns eng miteinander gekoppelt ist
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