Schätzung der Rotationsentropie von Wassermolekülen an Proteinoberflächen

Die Entropie von Lösungsmitteln trägt einen entscheidenden Beitrag zur Stabilität von Faltungszuständen von Proteinen bei. In molekulardynamischen Simulationen jedoch lässt sich dieser Beitrag nur schwer bestimmen. Die Gründe dafür sind die schlechte Konvergenz des Samplings im Phasenraum, da das Lösungsmittel viele verschiedene aber energetisch gleichwertige Zustände besitzt, und da die Dimensionalität des Phasenraums rasch mit der Anzahl der Moleküle ansteigt. Um das Problem der Konvergenz in den Griff zu bekommen, wurde das Sampling aller Moleküle mit Hilfe von Permutationen verbessert. Da bei einer bestimmten Wahl der Permutationen die Moleküle so aufeinander abgebildet werden, dass ihre Trajektorien lokalisiert werden, ohne die Physik des Systems zu ändern, ergibt sich eine ortsaufgelöste Information über die Entropie des Systems. Als Näherung der Gesamtentropie wurde eine Entwicklung in Transinformationstermen angewendet. Hierbei wird das System in Subsysteme niedrigerer Dimensionalität zerlegt, auf denen die Entropie und Transinformation bestimmt wird. Insbesondere wird damit das System in die Entropiebeiträge Translationsentropie und Rotationsentropie vom Wasser und Proteinentropie zerteilt. Für die Bestimmung der Rotationsentropie des Wassers wurde eine parameterfreie Nächste-Nachbar-Methode an den gekrümmten Raum der Drehgruppe SO(3) angepasst, der auch Effizient in höheren Dimensionen des Tensorproduktraumes SO(3)xSO(3) arbeitet. Die entwickelte Methode zur Bestimmung der Rotationsentropie wurde an bekannten Verteilungen wie auch Simulationen von Wasser ausführlich getest. Anwendung fand sie dann bei der Bestimmung der Rotationsentropie von Wassermolekülen an der Proteinoberfläche von Crambin (PDB-Code: 1cbn)

Single Molecule Nanocontainers Made Porous Using a Bacterial Toxin

Encapsulation of a biological molecule or a molecular complex in a vesicle provides a means of biofriendly immobilization for single molecule studies and further enables new types of analysis if the vesicles are permeable. We previously reported on using DMPC (dimyristoylphosphatidylcholine) vesicles for realizing porous bioreactors. Here, we describe a different strategy for making porous vesicles using a bacterial pore-forming toxin, α-hemolysin. Using RNA folding as a test case, we demonstrate that protein-based pores can allow exchange of magnesium ions through the vesicle wall while keeping the RNA molecule inside. Flow measurements indicate that the encapsulated RNA molecules rapidly respond to the change in the outside buffer condition. The approach was further tested by coencapsulating a helicase protein and its single-stranded DNA track. The DNA translocation activity of <i>E. coli</i> Rep helicase inside vesicles was fueled by ATP provided outside the vesicle, and a dramatically higher number of translocation cycles could be observed due to the minuscule vesicle volume that facilitates rapid rebinding after dissociation. These pores are known to be stable over a wide range of experimental conditions, especially at various temperatures, which is not possible with the previous method using DMPC vesicles. Moreover, engineered mutants of the utilized toxin can potentially be exploited in the future applications

Probing Electric Fields in Protein Cavities by Using the Vibrational Stark Effect of Carbon Monoxide

To determine the magnitude and direction of the internal electric field in the Xe4 cavity of myoglobin mutant L29W-S108L, we have studied the vibrational Stark effect of carbon monoxide (CO) using infrared spectroscopy at cryogenic temperatures. CO was photodissociated from the heme iron and deposited selectively in Xe4. Its infrared spectrum exhibits Stark splitting into two bands associated with CO in opposite orientations. Two different photoproduct states can be distinguished, C′ and C″, with markedly different properties. For C′, characteristic temperature-dependent changes of the area, shift, and width were analyzed, based on a dynamic model in which the CO performs fast librations within a double-well model potential. For the barrier between the wells, a height of ∼1.8 kJ/mol was obtained, in which the CO performs oscillations at an angular frequency of ∼25 cm(−1). The magnitude of the electric field in the C′ conformation was determined as 11.1 MV/cm; it is tilted by an angle of 29° to the symmetry axis of the potential. Above 140 K, a protein relaxation leads to a significantly altered photoproduct, C″, with a smaller Stark splitting and a more confining potential (barrier >4 kJ/mol) governing the CO librations