FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Proteiner er naturens byggesteiner, men også mye mer enn det: de er dedikerte og dyktige arbeidere som hver og en fyller en spesifikk rolle. Proteiner er ganske store molekyler og består av tusener av atomer. Når ett eller flere viktige proteiner ikke fungerer som det skal i menneskekroppen, kan det potensielt føre til sykdom. Selv om proteiner er relativt store sammenlignet med mange andre molekyler, er de fremdeles ganske små av størrelse og vanskelige å observere direkte. Derfor er det ofte praktisk å bygge molekylære modeller ved hjelp av datamaskiner, og slik simulere oppførselen deres med såkalte molekyldynamikk simuleringer. Disse datamaskinmodellene er basert på grunnleggende fysiske og kjemiske prinsipper, og simuleringene har vist seg nyttige for å lære mer om hvordan, for eksempel, proteiner binder seg til cellemembraner eller for å beregne styrken på kreftene mellom protein(er) og membran(er). Datamaskiner er også nyttig for å samle og analysere de store mengdene av biologiske data som allerede finnes tilgjengelig i offentlige databaser. Ved hjelp av denne metoden kan man for eksempel sammenligne mange proteiner og muligvis oppdage fellestrekk i deres aminosyresammensetning eller tredimensjonale struktur. I dette prosjektet fokuserer vi på en bestemt type proteiner som virker på celleoverflaten eller på overflaten av organeller. De binder seg til biologiske membraner akkurat lenge nok til å utføre sin oppgave der, for så å forlate denne når jobben er gjort. Slike protein kalles perifære membran proteiner. Vårt mål er å finne ut hvilke krefter som hjelper proteinene å nå celleoverflaten og hvilke krefter som er avgjørende for hvor lenge de skal forbli på overflaten. For å nå dette målet følger vi to tilnærminger. Den første er en top-down-tilnærming der vi gjør statistisk analyse av en stor samling av perifere proteiner. Den andre er en bottom-up-tilnærming der vi bruker metoder som er veldig presise for å studere et lite antall proteiner: molekylsimuleringer gjør det mulig å simulere oppførselen til et molekyl på en måte som ligner in vitro-forhold. Vi kan ganske nøyaktig beregne kreftene som virker mellom proteinet og membranen. Lærdom fra molekylære simuleringer vil bli sammenlignet med resultatene fra top-down-tilnærmingen. Det første og kritiske trinnet i top-down-tilnærmingen er å samle og kurere et datasett med perifere proteiner. Basert på den publiserte litteraturen i feltet og analyse av mengde relevante data i offentlige databaser, har vi identifisert flere proteinfamilier som kan inkluderes i studien. Vi har allerede samlet struktur- og sekvensdata for noen familier, og implementert en automatisert pipeline for datainnsamling og analyse, inkludert et statistisk rammeverk for dataanalyse. Vi har identifisert strukturelle mønstre og spesifikke aminosyre sammensetninger som kjennetegner membran-binding regioner. Vi har valgt korte peptidmodeller, så vel som mer komplekse proteiner som fosfolipase og lipidoverføringsproteiner. Vi har gjennomført svært lange simuleringer ved bruk av nasjonale datamaskiner med høy ytelse. Dette gir oss innsikt i måten peptidene og proteinene gjenkjenner lipider på membranoverflaten. Blant aminosyrer identifisert i top-down tilnærmingen er det tre typer som vi så langt har sett nærmere på i simuleringer av enkelte proteiner. Vi har vi kunne vise hvorfor de er viktig for protein-membran binding, og hvordan de gjenkjenner visse type lipider.

Proteins are Nature's building blocks but not only, they are dedicated and skilled workers, each fulfilling its own specific role. They are fairly large molecules, containing thousands of atoms. When one or several key proteins are not able to fulfill their function in the human body, this might potentially result in diseases. Although proteins are large for being molecules, they are rather small in size and are difficult to observe directly. Hence it is often handy to build molecular models, using computers, and simulate their behavior. The models are built from physics and chemistry principles, and molecular dynamics simulations have proven to be useful to learn more about how, for example, proteins can bind to cell membranes or calculate the forces between proteins and lipids, which are the main membrane constituents. Computers are also useful -and necessary- to collect and analyse the large amount of biological data that is already available in public databases. In this way one can for example compare many proteins and discover common traits in their amino acid composition or three-dimensional structure. In this project we focus on a particular type of proteins, which perform their function at the surface of the cells or organelles, and have the ability to stick to cell or organelles membrane of the cells for just the right amount of time to achieve their tasks there, and leave again when the job is done. We aim at finding out which are the forces that bring these proteins to the membrane, and how the duration of that stay is regulated by the same forces. To this aim we will use a combination of molecular dynamics simulations and bioinformatics analysis of publicly available data, as well as experiments in the lab using solid-phase nuclear magnetic resonance.