Simulation of the light-induced conformational dynamics in the AppA BLUF domain
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die genaue Berechnung der Infrarot-(IR-)Spektren von Farbstoffmolekülen, die sich in Lösung oder einer Proteinumgebung befinden und deshalb starke Solvatochromieeffekte zeigen, ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der neuen hybriden Rechenmethoden, welche, unter Einsatz der Dichtefunktionaltheorie (DFT), eine quantenmechanische Beschreibung eines kleinen Ausschnitts eines makromolekularen Systems mit einer molekülmechanischen (MM) Kraftfeld-Modellierung des großen umgebenden Restes kombinieren. Im vorliegenden Projekt wurden eine solche DFT/MM Beschreibung für die biochemisch bedeutende Klasse der Flavin-Farbstoffe etabliert. Dabei wurde die Genauigkeit bestimmt, mit der die spektralen Lagen, inhomogenen Breiten und Intensitäten der IR Banden von Flavin-Farbstoffen, die in eine polare Umgebung eingebettet sind und in verschiedenen Redox-Zuständen vorliegen, berechnet werden können. Für die Bandenlagen ergaben sich mittlere quadratische Abweichungen zwischen DFT/MM Vorhersagen und spektroskopischen Beobachtungen von etwa 10 cm^-1. Zur Berechnung der IR Spektren des Flavin-Chromophors von „sensoring blue light using flavin (BLUF)“-Domänen bei Zimmertemperatur wird ein unter Molekulardynamik-(MD)-Simulationen stabiles Kraftfeld-Modell dieser Proteindomänen benötigt. Während sich ein durch das CHARMM22 Kraftfeld beschriebenes BLUF Monomer in wässriger Lösung als instabil erwies, konnte die Instabilität durch DFT/MM Berechnung polarisierter Kraftfelder beseitigt werden. Dieses Ergebnis ist von allgemeiner Bedeutung, weil damit ein zweites Beispiel (neben Bakteriorhodopsin, Babitzki et al. 2008) dafür gefunden wurde, dass eine Proteinstruktur unter MD Simulation mit einem Standard-Kraftfeld instabil ist und erst durch Einbeziehung von Polarisationseffekten stabilisiert wird. Darauf aufbauen wurden die IR Spektren der Flavin-Chromophore von sechs verschiedenen experimentellen BLUF Strukturen berechnet und anhand der Rechnungen gezeigt, wie sie die Informationen, welche die Schwingungsspektren liefern, in Aussagen über Proteinstrukturen verwandeln. Daneben wurde ein einfaches Protokoll zur MD-gestützten Plausibilitätsprüfung kristallographischer Proteinstrukturmodelle eingeführt und anhand der untersuchten BLUF Strukturen verifiziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011). Density functional theory combined with molecular mechanics: The infrared spectra of flavin in solution. Photochem. Photobiol. 87, 511–523
Rieff, B, G Mathias, S Bauer, and P. Tavan
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(2011). DFT/MM description of flavin IR spectra in BLUF domains. J. Phys. Chem. B 115, 11239–11253
Rieff, B, S Bauer, G Mathias, and P. Tavan
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(2011). Entwicklung von Hybridmethoden zur Berechnung der Schwingungsspektren von Flavinchromophoren anhand von BLUF Blaulichtrezeptoren, Doktorarbeit, Fakultät für Physik, LMU München, 2011
Rieff, Benjamin
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(2011). IR spectra of flavins in solution: DFT/MM description of redox effects. J. Phys. Chem. B 115, 2117–2123
Rieff, B, S Bauer, G Mathias, and P. Tavan
