Development and application of new computer simulation techniques to describe the multi-scale relaxation dynamics of light-sensitive protein systems

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-252446
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.25244

Peter, Emanuel

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Date of publication of this fulltext: 01 Jul 2013 13:14

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	1 July 2013
Referee:	PD Dr. Stephan Bäurle and Prof. Dr. Bernhard Dick and Prof. Dr. Friederike Schmid
Date of exam:	26 June 2012
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry III - Physical Chemistry (Molecular Spectroscopy and Photochemistry) > PD Dr. Stephan Baeurle
Keywords:	LOV-proteins, photosensor, kinetic-monte carlo, molecular dynamics, mult-scale modelling, signal transduction
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	25244

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Abstract (English)

Abstract (English)

The scope of this thesis is the investigation of the multi-scale signal-transduction dynamics
of protein-based photosensors. Based on the previous experimental findings of Kottke et al. (2003), Lanzl et al. (2010) and Kutta et al. (2008) on the LOV1-domain from Chlamydomonas reinhardtii (CrLOV1), we first used the popular molecular dynamics (MD) technique to describe the short-time relaxation dynamics of the CrLOV1-system, as well as the LOV2-domain from Avena sativa and the Vivid LOV-domain from Neurospora crassa. In addition, we simulated the early stages of signal-transduction of the artificial photoactivable-Rac1 PA-Rac1 photo-enzyme. These LOV-photosensors, which are a subclass of the PAS-family, were of essential interest in the Graduate College for sensory photoreceptors in natural and artificial systems GRK640 as well as in the Graduate College for chemical photocatalysis GRK1626, supported by the German Research Council (DFG).
Their signal-transduction pathway includes relevant structural changes, which occur on time-scales form ns up to several ms. In order to handle this range of timescales, we developed rate-based Kinetic-Monte-Carlo (KMC) simulation algorithms as well as mixed mesoscopic-atomistic coarse-grained (CG) models. With this new simulation-technique, we described the signaling pathways of LOV-based photosensors on multiple timescales from nanoseconds to seconds. As a result of these simulations, we observed the early signal transduction dynamics in the ns-timescale in the vicinity of the FMN-chromophore, which were complementary to our previous MD-results on the same natural and artificial
photosensory systems. Additionally to these early timescales we obtained informations about the late signaling stages of the LOV-based photosensors within timescales from microsconds to many seconds.

We start with a general introduction on the photosensory systems and the theory on the methods, which we used in our work. In the next sections we present the algorithmic developments, which we designed for the simulation on multiple timescales for the desciption of short-time as well as long-time signal-transduction events. We continue with the description of our results on the simulations of wild-type protein photosensors and finally will present our findings on artificial LOV-based systems.

Translation of the abstract (German)

Die Zielsetzung dieser Doktorarbeit war die Untersuchung der Signalweiterleitung von
Photorezeptorproteinen, welche auf multiplen Zeit- und Längenskalen verlaufen.
In Anknüpfung an die Ergebnisse von Arbeiten an der LOV1-Domäne von Chlamydomonas
reinhardtii (CrLOV1) von Kottke et al. 2003, Lanzl et al 2010 und Kutta et al. 2008,
untersuchten wir zu Beginn mit Hilfe der Molekulardynamikmethode (MD) die
Kurz-zeitrelaxationsdynamik des CrLOV1-Systems, sowie der LOV2-Domäne von
Avena sativa (AsLOV2) und der Vivid LOV-Domäne aus Neurospora crassa.
In Folge untersuchten wir die frühen Signalzustände des künstlichen
photo-aktivierbaren Rac1-GTPase Enzyms.
Diese LOV-Photorezeptoren, welche eine Untergruppe der PAS-Familie darstellen,
waren hierbei von grundlegendem Interesse im DFG Graduiertenkolleg 640
'Sensory photoreceptors in natural and artificial systems' und dem
DFG Graduiertenkolleg GRK1626 'Chemical photocatalysis'.
Da die Signalweiterleitung dieser Systeme auf Zeitskalen von
Mikrosekunden bis hin zu mehreren Millisekunden verläuft, stellt
sich hierbei das Problem der Erreichbarkeit dieser großen Zeit-
und Längenskalen mit konventionellen Methoden. Um diese Zeit- und
Längenskalen akkurat beschreiben zu können, entwickelten wir
eine raten-basierte Kinetic-Monte-Carlo Methode (KMC) und
gemischte mesoskopisch-atomistische Beschreibungsmodelle.
Mit Hilfe dieser neuen Simulationsmethode, konnten wir die
Prozesse der Signalweiterleitung auf multiplen Zeitskalen beschreiben, welche sich
vom Nanosekunden- bis hin zum Sekunden-bereich erstrecken.
Wir konnten zeigen, dass die frühen Signalzustände der Nanosekundenzeitskala
in der Nähe des sogenannten FMN-Chromophors ablaufen, was in direkter
Analogie zu den Ergebnissen aus vorhergehenden MD-Studien ist.
Weiterhin konnten wir Informationen über die späten Signalzustände
dieser LOV-Photorezeptoren erhalten, welche in Zeitskalen von
mehreren Sekunden nach der Lichtaktivierung stattfinden.

Einführend stellen wir die Photorezeptor-systeme im allgemeinen sowie die
grundlegenden theoretischen Methoden vor, welche in dieser
Arbeit verwendet wurden. In den nachfolgenden Kapiteln zeigen wir
die algorithmischen Entwicklungen auf, welche wir entwickelten um
Proteinsysteme auf multiplen Zeitskalen beschreiben zu können.
Weiterführend beschreiben wir die Ergebnisse der Simulationen an den
Wildtyp-Photorezeptoren. Abschließend zeigen wir unsere Ergebnisse
an den sogenannten artifiziellen Photorezeptorproteinen auf.

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