The role of dynamic hydrogen bond networks in protonation coupled dynamics of retinal proteins

Hydrogen bonds (H-bonds) are an essential interaction in membrane proteins. Embedded in complex hydrated lipid bilayers, intramolecular interactions through the means of hydrogen bonding networks are often crucial for the function of the protein. Internal water molecules that occupy stable sites inside the protein, or water molecules that visit transiently from the bulk, can play an important role in shaping local conformational dynamics forming complex networks that bridge regions of the protein via water-mediated hydrogen bonds that can function as wires for the transferring of protons as a part of the protein’s function. For example, the membrane-embedded channelrhodopsins which are found in archaea are proteins that couple light induced isomerization of a retinal chromophore with proton transfer reactions and passive flow of cations through their pore. I contributed to the development of a new algorithm package that features a unique approach to H-bond analyses. I performed analyses of long Molecular Dynamics (MD) trajectories of channelrhodopsin variants embedded in hydrated lipid membranes and large data sets of static structures, to detect and dissect dynamic hydrogen-bond networks. The photocycle of channelrhodopsins begins with absorption and isomerization of the retinal from an all-trans state to a 13-cis state and followed by the deprotonation of the Schiff base. Thus, the retinal is found in the epicenter of the analyses. Through the use of 2-dimensional graphs of the protein H-bond networks I identified protein groups potentially important for the proton transfer activity. Local dynamics are highly affected by point mutations of amino acids important for function. The interior of channelrhodopsin C1C2 hosts extensive networks of protein and H-bonded-water molecules, and a never reported before, network that can bridge transiently the two retinal chromophores in channelrhodopsin dimers. In a recently identified inward proton pump, AntR, I applied centrality measures on MD trajectories of the homology model I generated, to assess the communication of the amino acid residues within the networks. I detected a frequently sampled long water chain that connects the retinal with a candidate proton acceptor, as well as a conserved serine in the vicinity of the retinal chromophore plays a significant role in the connectivity and communication of the H-bond networks upon isomerization. A similar water bridge is sampled in independent simulations of ChR2, where a participant for the proton donor group connects to the 13-cis,15-anti retinal. Proton transfer reactions often take place through certain amino acids, forming patterns. I analyzed H-bond patterns or motifs in large hand-curated datasets of static structures of α-transmembrane helix proteins, organized according to the superfamilies they belong, their function and an alternative classification method. The presence of motifs in TM proteins is tightly related to their families/superfamilies of the host protein and their position along the membrane normal.Wasserstoffbrücken (H-Brücke) sind eine wesentliche Wechselwirkung in Membranproteinen. Eingebettet in komplexe hydratisierte Lipiddoppelschichten sind intramolekulare Wechselwirkungen über Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke oft entscheidend für die Funktion des Proteins. Interne Wassermoleküle, die stabile Stellen im Inneren des Proteins besetzen, oder Wassermoleküle, die vorübergehend aus der Masse zu Besuch kommen, können eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der lokalen Konformationsdynamik spielen, indem sie komplexe Netzwerke bilden, die Regionen des Proteins über wasservermittelte Wasserstoffbrückenbindungen überbrücken, die als Drähte für den Transfer von Protonen als Teil der Proteinfunktion funktionieren können. Die in Archaeen vorkommenden, in die Membran eingebetteten Kanalrhodopsine sind beispielsweise Proteine, die die lichtinduzierte Isomerisierung eines Retinachromophors mit Protonentransferreaktionen und dem passiven Fluss von Kationen durch ihre Pore verbinden. Ich habe an der Entwicklung eines neuen Algorithmuspakets mitgewirkt, das einen einzigartigen Ansatz für H-Bindungsanalysen bietet. Ich habe lange Molekulardynamik-Trajektorien von Kanalrhodopsine-Varianten, die in hydratisierte Lipidmembranen eingebettet sind, sowie große Datensätze statischer Strukturen analysiert, um dynamische Wasserstoffbrücken-bindungsnetzwerke zu erkennen und zu zerlegen. Der Photozyklus der Kanalrhodopsine beginnt mit der Absorption und Isomerisierung des Retinals von einem all-trans-Zustand zu einem 13-cis-Zustand, gefolgt von der Deprotonierung der Schiff-Base. Somit steht das Retinal im Mittelpunkt der Analysen. Durch die Verwendung von 2-dimensionalen Graphen der Protein- H-Brückenetzwerke identifizierte ich Proteingruppen, die für die Protonentransferaktivität wichtig sein könnten. Die lokale Dynamik wird durch Punktmutationen der für die Funktion wichtigen Aminosäuren stark beeinflusst. Das Innere von Kanalrhodopsine C1C2 beherbergt ausgedehnte Netzwerke von Protein- und H-Brücke-Wassermolekülen und ein bisher unbekanntes Netzwerk, das die beiden retinalen Chromophore in Kanalrhodopsine-Dimeren vorübergehend überbrücken kann. In einer kürzlich identifizierten Protonenpumpe, AntR, wendete ich Zentralitätsmaße auf MD-Trajektorien des von mir erstellten Homologiemodells an, um die Kommunikation der Aminosäurereste innerhalb der Netzwerke zu bewerten. Ich fand, dass eine häufig gesampelte lange Wasserkette, die das Retinal mit einem Protonenakzeptor verbindet, sowie ein konserviertes Serin in der Nähe des Retinal-Chromophors eine wichtige Rolle bei der Konnektivität und Kommunikation der H-Brückesnetzwerke bei der Isomerisierung spielt. Eine ähnliche Wasserbrücke ist in unabhängigen Simulationen von Kanalrhodopsine-2 zu finden, wo ein Teilnehmer für die Protonendonorgruppe mit dem 13-cis,15-anti-Retinal verbunden ist. Protonenübertragungsreaktionen finden oft über bestimmte Aminosäuren statt und bilden Muster. Ich analysierte H-Brückemuster oder -motive in großen, von Hand kuratierten Datensätzen statischer Strukturen von α-Transmembranhelix-Proteinen, geordnet nach den Superfamilien, zu denen sie gehören, ihrer Funktion und einer alternativen Klassifizierungsmethode. Das Vorhandensein von Motiven in TM-Proteinen steht in engem Zusammenhang mit ihren Familien/Superfamilien des Wirtsproteins und ihrer Position entlang der Membrannormale

NASA Tech Briefs, December 1991

Topics include: Electronic Components and Circuits. Electronic Systems, Physical Sciences, Materials, Computer Programs, Mechanics, Machinery, Fabrication Technology, Mathematics and Information Sciences

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 271)

This bibliography lists 666 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in October, 1991. Subject coverage includes design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 276)

This bibliography lists 705 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in Feb. 1992. Subject coverage includes: design, construction, and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment, and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: ● Formulations and Numerical Methods ● Efficient Methods and Real-Time Applications ● Flexible Multibody Dynamics ● Contact Dynamics and Constraints ● Multiphysics and Coupled Problems ● Control and Optimization ● Software Development and Computer Technology ● Aerospace and Maritime Applications ● Biomechanics ● Railroad Vehicle Dynamics ● Road Vehicle Dynamics ● Robotics ● Benchmark ProblemsPostprint (published version