Laws of mechanics and function in proteins as evolved molecular machines

蛋白质作为进化分子机器的力学定律和功能

基本信息

  • 批准号:
    10022123
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 6.53万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Proteins are the "machines" that carry out the chemical reactions necessary for life. Unlike man-made machines, proteins exhibit a unique combination of features: high performance with respect to specific biological functions, and adaptability to changes in their environment. The coincidence of these two properties suggests that there exist yet-unknown design principles which govern evolved machines. However, despite the clear implications of this observation for our understanding of evolution, proteins, and engineering, these design principles remain elusive due to the high-dimensionality of internal protein atomic motions and wide range of length- and time-scales associated with the problem. At present, molecular dynamics simulations have been the most useful tools for shedding light on the internal dynamics of proteins, but given the challenge in measuring the time-dependent internal motions a protein undergoing some biological process, these simulations are often not confirmable by experimental data. New experiments and analysis methods in our lab are able to measure internal motions within proteins at Angstrom-resolution. This provides an opportunity: I will carry out substantial experimentally-verified molecular dynamics simulations which model the new experiments. By carrying out these simulations using several different force fields and comparing a variety of quantities to their experimental values, I will construct new experimentally-motivated molecular dynamics “best practices” such that simulations and experiment imply consistent properties of the given protein. Using these “optimized” molecular dynamics methods along with data analysis methods such as dimensional reduction, I will study protein dynamics in multiple contexts, including electric-field stimulated X-ray crystallography (EFX), a novel technique by which an electric field is applied to a protein crystal and the resulting structure is measured using X-ray crystallography, and room-temperature X-ray crystallography (RTX), a new way of determining thermal ensembles of protein configurations at room temperature using static crystallography data. These will enable me to reduce the measurements of atomic-scale motions of thousands of individual atoms to a description of coordinated motions on different scales with the expectation of revealing a small number of mechanical mechanisms dictating protein function and allostery. This mathematical analysis not only opens up new experimental, computational and conceptual methods for understanding protein function from microscopic structural information; its improved, evidence-based simulation methods can be used for predicting collective motions when crystallography experiments are nonexistent or inaccessible. Overall, this research will develop new quantitative tools for studying the connection between protein mechanics and function, and implement these tools to extract a low-dimensional, ordered description of this seemingly high-dimensional, disordered phenomenon.
项目概要 与人造物质不同,蛋白质是进行生命所需化学反应的“机器”。 机器、蛋白质表现出独特的特征组合:特定的高性能 生物功能和对环境变化的适应性这两个特性的重合。 表明存在尚不清楚的设计原则来控制进化的机器。 这一观察结果对我们理解进化、蛋白质和工程有明确的影响,这些 由于内部蛋白质原子运动的高维性和广泛的应用,设计原理仍然难以捉摸。 目前,分子动力学模拟涉及与问题相关的长度和时间尺度范围。 是揭示蛋白质内部动力学的最有用的工具,但考虑到挑战 在测量经历某些生物过程的蛋白质的时间依赖性内部运动时,这些 我们实验室的新实验和分析方法通常无法证实模拟。 能够以埃分辨率测量蛋白质内部运动这提供了一个机会:我会的。 进行大量经过实验验证的分子动力学模拟,模拟新的 通过使用几种不同的力场进行这些模拟并比较各种。 数量到他们的实验值,我将构建新的实验驱动的分子动力学“最佳 实践”,这样模拟和实验就意味着使用这些给定蛋白质的特性是一致的。 “优化”分子动力学方法以及数据分析方法,例如降维、I 将研究多种背景下的蛋白质动力学,包括电场刺激 X 射线晶体学 (EFX), 一种新技术,将电场施加到蛋白质晶体上,所得结构是 使用 X 射线晶体学和室温 X 射线晶体学 (RTX) 进行测量,这是一种新的方法 使用静态晶体学数据确定室温下蛋白质构型的热系综。 这些将使我能够将数千个单个原子的原子尺度运动的测量减少到 对不同尺度上的协调运动的描述,期望揭示少量的 这种数学分析不仅揭示了决定蛋白质功能和变构的机械机制。 从微观角度理解蛋白质功能的新实验、计算和概念方法 结构信息;其改进的、基于证据的模拟方法可用于预测集体 总体而言,这项研究将会在晶体学实验不存在或无法进行时进行。 研究定量蛋白质力学和功能之间联系的新工具,并实施 这些工具提取出这个看似高维、无序的低维、有序描述 现象。

项目成果

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