Proteine in wässriger Umgebung: Kontinuumstheorie der Lösungsmittelelektrostatik und ihre effiziente Berechnung

Die biologisch funktionale Struktur und Dynamik globulärer Proteine entfaltet sich in ihrer nativen Umgebung, die aus ionenhaltigem Wasser besteht. Die entscheidenden Wechselwirkungen sind dabei elektrostatischer Natur. Bei Molekulardynamik-(MD-)Simulationen von Protein-Lösungsmittel-Systemen müssen diese Wechselwirkungen daher genau erfasst und, wegen der Größe der behandelten Systeme, numerisch effizient berechnet werden. Es bietet sich dazu an, das üblicherweise betrachtete mikroskopische Ensemble der Lösungsmittelatome durch ein Lösungsmittelkontinuum zu ersetzen, welches die auf das Protein ausgeübten Reaktionsfeldkräfte erzeugt. Die Entwicklung einer atombasierten Kontinuumsmethode, mit der sich Reaktionsfeldkräfte und -energien bei solchen MD-Simulationen effizient und genau berechnen lassen, war das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Die Methode wird zunächst für Proteine in rein dielektrischen Lösungsmittelkontinua hergeleitet [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 2039-2056 (2003)] und anschließend um Ionenkontinua erweitert [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 2056-2068 (2004)], welche der linearisierten Poisson-Boltzmann-Gleichung gehorchen. Die zugrundeliegende Theorie wird so weit wie möglich in exakter Form vorangetrieben. Sie führt in natürlicher Weise zu einigen wenigen Näherungen, so dass sich das vom Lösungsmittelkontinuum ausgehende Reaktionsfeld in effizienter Weise mittels selbstkonsistent zu bestimmender Ladungen und Dipole darstellen lässt, die an den mikroskopisch beschriebenen Proteinatomen lokalisiert sind. Die Qualität der atombasierten Kontinuumsmethode wird anhand von Vergleichen mit dem auf sphärische Geometrien beschränkten, analytischen Kirkwood-Reaktionsfeld, einer mikroskopischen Protein-Wasser-Simulation und einer Finite-Differenzen-Methode untersucht. Darüber hinaus wird ein Verfahren für MD-Simulationen von mikroskopisch beschriebenen Protein-Lösungsmittel-Systemen mit periodischen Randbedingungen vorgestellt [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Dabei werden die Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Atomen mit Hilfe der effizienten, linear skalierenden und strukturadaptierten Multipolmethode (SAMM) bis zu einem Grenzabstand explizit berechnet und für größere Abstände durch das Kirkwood-Reaktionsfeld modelliert. Durch dieses Vorgehen können die von den Randbedingungen erzeugten Periodizitätsartefakte weitgehend unterdrückt werden. Ferner kann das Kirkwood-Reaktionsfeld im Rahmen des SAMM-Ansatzes unter vernachlässigbarem Aufwand berechnet werden

Web Interface for Brownian Dynamics Simulation of Ion Transport and Its Application to Beta-Barrel Pores

This is the peer reviewed version of the following article: Lee, K. I., Jo, S., Rui, H., Egwolf, B., Roux, B., Pastor, R. W., & Im, W. (2012). Web Interface for Brownian Dynamics Simulation of Ion Transport and Its Applications to Beta-Barrel Pores. Journal of Computational Chemistry, 33(3), 331–339. http://doi.org/10.1002/jcc.21952, which has been published in final form at http://doi.org/10.1002/jcc.21952. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving.Brownian dynamics (BD) in a suitably constructed potential of mean force is an efficient and accurate method for simulating ion transport through wide ion channels. Here, a web-based graphical user interface (GUI) is presented for grand canonical Monte Carlo (GCMC) BD simulations of channel proteins: http://www.charmm-gui.org/input/gcmcbd. The webserver is designed to help users avoid most of the technical difficulties and issues encountered in setting up and simulating complex pore systems. GCMC/BD simulation results for three proteins, the voltage dependent anion channel (VDAC), α-Hemolysin, and the protective antigen pore of the anthrax toxin (PA), are presented to illustrate system setup, input preparation, and typical output (conductance, ion density profile, ion selectivity, and ion asymmetry). Two models for the input diffusion constants for potassium and chloride ions in the pore are compared: scaling of the bulk diffusion constants by 0.5, as deduced from previous all-atom molecular dynamics simulations of VDAC; and a hydrodynamics based model (HD) of diffusion through a tube. The HD model yields excellent agreement with experimental conductances for VDAC and α-Hemolysin, while scaling bulk diffusion constants by 0.5 leads to underestimates of 10–20%. For PA, simulated ion conduction values overestimate experimental values by a factor of 1.5 to 7 (depending on His protonation state and the transmembrane potential), implying that the currently available computational model of this protein requires further structural refinement

Phantom and clinical evaluation of combined image reconstruction parameters of Philips Gemini TF 64 PET/CT imaging system

PURPOSE: Positron emission tomography-computed tomograhy imaging provides information on glucose metabolism uptake of the FDG. This may also indicate the functional status of cancer lesions. Erroneous image details may lead to false results. Reconstruction is used to enhance the data by minimizing the noise, adjusting the contrast, and modifying the features of the image mathematically. METHODS: The study used the NEMA phantom for quantitative analysis and retrospective data for clinical evaluation. The data were reconstructed using defined Time-of-Flight (ToF) protocols ofvarying relaxation parameter, iteration subsetsand kernelwidth. For the phantom study, the data were analyzed to determine the percent contrast (PC), background variability (BV), and contrast­ to-noise ratio (CNR) for each reconstruction protocol. Two experienced nuclear medicine physicians, who were blinded by the reconstruction methods used, evaluated the retrospective data. The reconstructed images are rated on a scale of 1-4 and scored by rank according to 6 parameters. RESULTS: In the quantitative analysis, the smallest radioactive sphere obtained the highest PC of 18.3% on Protocol 5, while the largest radioactive sphere had the highest value of 55.1% on Protocol 6. The BV was least at 4.37% for the smallest radioactive sphere, and at 5.55% for the largest radioactive sphere, both on Protocol 1. The CNR was highest on Protocol 1 across all sphere sizes. The clinical evaluation of the retrospective data subjectively preferred Protocol 1 and Protocol 5. CONCLUSION: The findings showed that lower values of image reconstruction parameters produced improved CNR and were more favored by nuclear medicine physicians