Modelowanie molekularne zależności struktura-dynamika-funkcja w białkach

Abstract

Ciągły postęp w nauce, metodach obliczeniowych i technologii umożliwia coraz lepsze badanie białek. Na przestrzeni dziesięcioleci stało się jasne, że białka są dynamicznymi jednostkami i aby dokładnie zbadać ich funkcję, nie wystarczy spojrzeć tylko na strukturę, ale także na nieodłączny składnik dynamiczny. W moich badaniach doktoranckich skupiłem się na wygaszaniu kworum, które pozwala na zakłócenie komunikacji bakteryjnej, zmniejszając w ten sposób czynniki wirulencji. Można to osiągnąć enzymatycznie, a zatem takie enzymy były głównym przedmiotem mojej rozprawy doktorskiej. Praca składa się z czterech artykułów. W pierwszym zbadałem szczegóły dynamicznych składników, które determinują i ograniczają aktywność wygaszania kworum w N-końcowych hydrolazach serynowych. Drugi to przegląd literatury podsumowujący podejścia w inżynierii białek, które uwzględniają dynamikę jako kluczową podczas procesu projektowania. Trzecia część przedstawia bibliotekę TransportTools, oprogramowanie opracowane w naszym laboratorium w celu sprostania wyzwaniu spójnej analizy przestrzeni wewnętrznych w danych zespołu białek pochodzących z masowych symulacji dynamiki molekularnej. Ostatnia część rozprawy obejmuje racjonalne projektowanie wariantów acylazy penicyliny G E. coli o ulepszonej aktywności i modulowanej specyficzności wobec cząsteczek sygnałowych różnych patogennych gatunków bakterii.

Ongoing advances in science, computational methods, and technology make it possible to study proteins better and better. Over the decades, it has become clear that proteins are dynamic entities, and to accurately study their function, it is not enough to look only at the structure, but also at the inherent dynamic component. In my Ph.D. research, I focused on quorum quenching, which allows the disruption of bacterial communication, thereby reducing virulence factors. It can be achieved enzymatically, and thus such enzymes were the main interest of my dissertation. The thesis consists of four articles. In the first, I investigated details of the dynamic components that determine and limit the quorum quenching activity in N-terminal serine hydrolases. The second is a literature review summarizing approaches in protein engineering that consider dynamics as crucial during the design process. The third part presents the TransportTools library, software developed in our laboratory to address the challenge of consistent analysis of internal spaces in protein ensemble data resulting from massive molecular dynamics simulations. The last part of the thesis covers the rational design of E. coli penicillin G acylase variants with improved activities and modulated specificities towards signaling molecules of different pathogenic bacterial species.