Role of noncovalent interactions in protein peripheral membrane binding. Computational perspectives

Noncovalent forces are important driving forces in nature particularly in biology, and they dictate many biological processes including the binding of peripheral protein to the cell membrane. The widely acknowledged models describe this process as electrostatics driven membrane adsorption followed by short-range protein-lipid interactions i.e. hydrogen bonds, hydrophobic interactions. Some of the key elements in such models are: clusters of basic residues are essential for electrostatic adsorption, and basic residues contribute equally to the membrane binding. Nevertheless, none of these models account for the role of cation-π interactions in membrane binding. With selected protein candidates, we further explore these models and work towards a generalized description of protein peripheral binding to membranes in terms of noncovalent forces. Our investigation highlights the limitations of these existing descriptions. We demonstrate that the requirement of having a cluster of basic residues is not essential. Further, we show that the contributions of basic residues are distance dependent. In other words, their localization in the membrane-water interface determines their strength and hence is not equal. We also establish the role of tyrosine-choline cation- π interactions in membrane binding of peripheral proteins. We explore in detail the nature of tyrosine-choline mediated cation-π interactions using high-level quantum mechanical calculations. Later, this information is used to improve the description of cation-π interactions in molecular simulation models. These improvements of force field parameters are further tested using molecular dynamics simulations. Finally, we used this information to build an interaction diagram that can be used to better describe the binding of peripheral proteins to the cell membrane. Future testing and the generalization of this diagram will further establish this as a common model

Selectivity of pyoverdine recognition by the FpvA receptor of Pseudomonas aeruginosa from molecular dynamics simulations

International audienceThe Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa, a ubiquitous human opportunistic pathogen, has developed resistances to multiple antibiotics. It uses its primary native siderophore, pyoverdine, to scavenge the iron essential to its growth in the outside medium and transport it back into its cytoplasm. The FpvA receptor on the bacterial outer membrane recognizes and internalizes pyoverdine bearing its iron payload, but can also bind pyoverdines from other Pseudomonads or synthetic analogues. Pyoverdine derivatives could therefore be used as vectors to deliver antibiotics into the bacterium. In this study, we use molecular dynamics and free energy calculations to characterize the mechanisms and thermodynamics of the recognition of the native pyoverdines of P. aeruginosa and P. fluorescens by FpvA. Based on these results, we delineate the features that pyoverdines with high affinity for FpvA should possess. In particular, we show that (i) the dynamics and interaction of the unbound pyoverdines with water should be optimized with equal care as the interface contacts in the complex with FpvA; (ii) the C-terminal extremity of the pyoverdine chain, which appears to play no role in the bound complex, is involved in the intermediate stages of recognition; and (iii) the length and cyclicity of the pyoverdine chain can be used to fine-tune the kinetics of the recognition mechanism

Cell-Biomaterial Mechanical Interaction in the Framework of Tissue Engineering: Insights, Computational Modeling and Perspectives

Tissue engineering is an emerging field of research which combines the use of cell-seeded biomaterials both in vitro and/or in vivo with the aim of promoting new tissue formation or regeneration. In this context, how cells colonize and interact with the biomaterial is critical in order to get a functional tissue engineering product. Cell-biomaterial interaction is referred to here as the phenomenon involved in adherent cells attachment to the biomaterial surface, and their related cell functions such as growth, differentiation, migration or apoptosis. This process is inherently complex in nature involving many physico-chemical events which take place at different scales ranging from molecular to cell body (organelle) levels. Moreover, it has been demonstrated that the mechanical environment at the cell-biomaterial location may play an important role in the subsequent cell function, which remains to be elucidated. In this paper, the state-of-the-art research in the physics and mechanics of cell-biomaterial interaction is reviewed with an emphasis on focal adhesions. The paper is focused on the different models developed at different scales available to simulate certain features of cell-biomaterial interaction. A proper understanding of cell-biomaterial interaction, as well as the development of predictive models in this sense, may add some light in tissue engineering and regenerative medicine fields.Ministerio de Ciencia y Tecnología DPI2010-20399-C04-0

Modeling and Simulation of Cell Adhesion and Detachment

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Sviluppo di metodi fotochimici per la sintesi di particelle Janus con specifiche proprietà e capacità di auto-assemblaggio

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Permeability of anti-fouling PEGylated surfaces probed by fluorescence correlation spectroscopy

The present work reports on in situ observations of the interaction of organic dye probe molecules and dye-labeled protein with different poly(ethylene glycol) (PEG) architectures (linear, dendron, and bottle brush). Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and single molecule event analysis were used to examine the nature and extent of probe朠EG interactions. The data support a sieve-like model in which size-exclusion principles determine the extent of probe朠EG interactions. Small probes are trapped by more dense PEG architectures and large probes interact more with less dense PEG surfaces. These results, and the tunable pore structure of the PEG dendrons employed in this work, suggest the viability of electrochemically-active materials for tunable surfaces

Force and affinity in cellulosomal complexes

In dieser Arbeit werden die molekularen Mechanismen der Organisation des Cellulosoms - ein komplexes extrazelluläres Proteinnetzwerk - als Modellsystem für Protein-Protein Interaktionen mittels biophysikalischer Methoden untersucht. Dieses extrazelluläre Organell ermöglicht bestimmten Bakterien die Zersetzung von Cellulose, indem es Enzyme und Cellulose-Bindedomänen auf gerüstartigen Proteinstrukturen in synergistischer Weise kombiniert. Die einzelnen Komponenten werden hierbei von einer Klasse von Rezeptor-Liganden-Paaren namens Cohesin- Dockerin in ihrer Stöchiometrie und Anordnung funktionell kombiniert. Ein Teil dieser Arbeit besteht in der Entschlüsselung der molekularen Bindemechanismen des Cohesins CohE, welches das Bakterium Ruminococcus flavefaciens mit seinem Cellusom verbindet. Durch die Kombination von Einzelmolekül-Kraftspektroskopie mit Molekulardynamik-Simulationen konnte die aussergewöhnliche Belastbarkeit der Interaktionen von CohE mit zwei homologen Dockerinen entschlüsselt werden. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss der Kraftpropagation innerhalb eines Proteinkomplexes auf dessen mechanische Widerstandsfähigkeit untersucht. Die physiologische Verankerung über den carboxyl-Terminus von CohE erwies sich als deutlich robuster im Vergleich zu einer nicht nativen N-terminalen Verankerung. Um den Kontrast zwischen hoher mechanischer Belastbarkeit bei moderaten Affinitäten im nano- bis mikromolaren Bereich besser verstehen zu können, wandte ich mich der Bestimmung der kinetischen Ratenkonstanten koff und kon zu, deren Quotient die Gleichgewichtskonstante bildet. Während es eine kleine Dissoziationskonstante dem Bakterium ermöglichen würde die von ihm exprimierte Nanomaschinerie fest an sich zu binden, könnte ein höheres koff und kon einen dynamischeren Austausch von Cellulosomen innerhalb des Mikrobioms ermöglichen. Zusätzlich stellte sich die Frage, ob die Verankerungsgeometrie auch in Abwesenheit von Kraft Einfluss auf das Bindeverhalten nehmen würde. Nachdem initiale Messungen mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie inkonsistent waren, wurde eine neuartige, enzymbasierte Kopplungsstrategie für oberflächengebundene Affinitätsbestimmungen entwickelt. Hiermit konnte CohE funktional und spezifisch auf Sensoroberflächen immobilisiert werden. Es zeigte sich, dass in Abwesenheit von externer Kraft die Verankerungsgeometrie von CohE keinen Einfluss auf das Bindeverhalten hat. Dies bestärkt im Umkehrschluss die Hypothese, dass mechanische Stabilitäten stets geometrieabhängig zu untersuchen sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch methodische Verbesserungen in der Einzelmolekülkraftspektroskopie erzielt. Zum einen wurde eine Strategie entwickelt, um Proteindomänen zeitsparend in vitro zu exprimieren und ohne weitere Aufreinigung spezifisch auf Objektträgern zu verankern. Die darauffolgende enzymatische Peptidligation eines Dockerins via Sortase A erlaubt es nun, mit hohem Durchsatz Entfaltungsstudien an Proteinen mithilfe der Cohesin-Dockerin Interaktion durchzuführen. Weiterhin ermöglichte es dieselbe Sortase-vermittelte Peptidligation, die gängigen Polyethylenlinker durch Elastin-ähnliche Peptide zu ersetzen. Dies verhindert Artefakte, die sonst durch Polyethylenlinker bei Protein-Kraftspektroskopie über 100 pN entstünden. Zuletzt wurde der Entfaltungsprozess einer Cohesin-Domäne aus Acetivibrio cellulolyticus untersucht, deren Familie in vorangegangenen Studien teils bimodale Entfaltungskraftverteilungen zeigte. Durch die Kombination zweier Messmodi konnte die Kraft-Ladungsrate über fünf Größenordnungen variiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass das dabei beobachtete Verhalten mit einer Konformationsänderung während der experimentellen Zeitskala zwischen verschiedenen, gefalteten Konformationen konsistent ist