Ein mechano-geometrischer Ansatz zu Charakterisierung makromolekularer Ensembles

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Sigrid Leyendecker
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401512690

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Makromoleküle wie Proteine, RNA und DNA ändern dynamisch ihre dreidimensionale Struktur, um die zellulären Funktionen auszuführen. Das Verständnis struktureller Ensembles ist entscheidend, um ihre Schlüsselrolle zu verstehen. Während Molekulardynamik-Simulationen atomare Trajektorien liefern, sind ihre Rechenkosten oft hoch. Andererseits können Robotik-inspirierte kinematische Methoden molekulare Bewegungen effizienter modellieren und nützliche Werkzeuge zur Dateninterpretation und -integration bereitstellen. Das Ziel des Projekts war es, die bestehende kinematische Methode zu einem mechano-geometrischen Rahmen zu erweitern, um Konformationsensembles komplexer Makromoleküle zu untersuchen. Mittels geometrischer Beschränkungen und Steifigkeitstheorie, wurde die molekulare Flexibilität untersucht, und eine Bewegungshierarchie eingeführt, die ein effizientes Abtasten von Konformationsräumen und Energielandschaften in ultrahochdimensionalen Umgebungen ermöglicht. Wir identifizierten allosterische Hotspots für das Targeting von Wirkstoffen sowie ster­ ische oder hydrophobe Kontakte. Ein weiteres Ziel war die Validierung mit experimentellen Daten und deren Einbindung in die Simulation, um experimentelle und numerische Analyse zu verbinden. Zunächst wurde die Methode für mehrkettige Proteine und molekulare Komplexe erweitert und genutzt, um an der allosterischen Kommunikation beteiligte Residuen zu identifizieren, Mutationseffekte vorher­ zusagen und potenzielle Inhibitoren zu finden. Wir fanden, dass die Aktivierungsschleife die Konformation der Kinasen im aktiven Zustand versteift und erkennen versteifte Diederwinkel, die molekulare Schwingungen beeinflussen. Wir haben SARS CoV-2 MP"O und seine Mutation untersucht, um potenzielle Medikamente zu analysieren. Durch Analyse von 47 Mutationsstellen für ca. 3.300 verschiedene Strukturen fanden wir, dass Mutationen die Flexibilität von MP"O meist erhöhten. Weiterhin wurde die Bewegungsplanung ultrahochdimensionaler Konformationsübergänge durch dynamische Clash Constraints und randomisierte Poisson-disk-Bewegungsplaner optimiert. Unsere Ergebnisse stimmten mit denen aus MD-Simulationen überein. Zweitens untersuchen wir durch Datenintegration, wie die kovalente Katalyse die Konformationsdynamik der Isocyanidhydratase (ICH) moduliert. Durch die Verwendung von Röntgen-Freie-Elektronen­Lasern (XFEL) zeigen wir, dass GlylS0-Mutationen, die die helikale Mobilität modifizieren, die katalytische ICH verringern. Darüber hinaus nutzen wir ortsspezifische Cystein-Photooxidation, um Veränderungen der Proteinstruktur zu untersuchen. Wir haben nicht-native Kontakte analysiert und Energiebarrieren identifiziert, die helfen, Liganden zu verstehen. Unsere Methode verbindet Rigiditätstheorie und elastische Netzwerkmodelle (ENM), zeigt eine proteinfaltenspezifische, durch das Wasserstoffbrückennetzwerk kodierte räumliche Hierarchie von Bewegungen, und rationalisiert experimentelle und simulierte Proteinsteifigkeitsvariationen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Collision‐free poisson motion planning in ultra high‐dimensional molecular conformation spaces. Journal of Computational Chemistry, 39(12), 711-720.
  Fonseca, Rasmus; Budday, Dominik & van, den Bedem Henry
  
• Kinematic Flexibility Analysis: Hydrogen Bonding Patterns Impart a Spatial Hierarchy of Protein Motion. Journal of Chemical Information and Modeling, 58(10), 2108-2122.
  Budday, Dominik; Leyendecker, Sigrid & van, den Bedem Henry
  
• Mix-and-inject XFEL crystallography reveals gated conformational dynamics during enzyme catalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(51), 25634-25640.
  Dasgupta, Medhanjali; Budday, Dominik; de Oliveira Saulo, H. P.; Madzelan, Peter; Marchany-Rivera, Darya; Seravalli, Javier; Hayes, Brandon; Sierra, Raymond G.; Boutet, Sébastien; Hunter, Mark S.; Alonso-Mori, Roberto; Batyuk, Alexander; Wierman, Jennifer; Lyubimov, Artem; Brewster, Aaron S.; Sauter, Nicholas K.; Applegate, Gregory A.; Tiwari, Virendra K.; Berkowitz, David B. ... & Wilson, Mark A.
  
• Shining light on cysteine modification: connecting protein conformational dynamics to catalysis and regulation. Journal of Synchrotron Radiation, 26(4), 958-966.
  van den Bedem, Henry & Wilson, Mark A.
  
• Kinematic Flexibility Analysis of Active and Inactive Kinase Conformations. PAMM, 20(1).
  Chen, Xiyu; Leyendecker, Sigrid & van, den Bedem Henry
  
• Reproducibility of protein x-ray diffuse scattering and potential utility for modeling atomic displacement parameters. Structural Dynamics, 8(4).
  Su, Zhen; Dasgupta, Medhanjali; Poitevin, Frédéric; Mathews, Irimpan I.; van den Bedem, Henry; Wall, Michael E.; Yoon, Chun Hong & Wilson, Mark A.
  
• Kinematic Vibrational Entropy Assessment and Analysis of SARS CoV-2 Main Protease. Journal of Chemical Information and Modeling, 62(11), 2869-2879.
  Chen, Xiyu; Leyendecker, Sigrid & van, den Bedem Henry