Molecular simulations of a helix-turn-helix motif for use as a biosensor

Ernits, Mart

4. term

Nanotechnology, Master

2017

2017-06-12

77

This project uses molecular simulations to investigate an EF-hand-like helix–turn–helix motif (P3W) as a basis for a FRET-based biosensor that converts ion binding and associated conformational changes into an optical signal. Because no experimental 3D structure of P3W is available in the PDB, a homology model was built and assessed with tools such as QMEAN. Molecular dynamics simulations were then performed for Eu3+, Fe3+, Fe2+, Ca2+, and Mg2+, using an MDAnalysis-based workflow (refined during the project) to generate configurations, measure N–C terminus distances, and estimate FRET efficiencies. These estimates enabled a preliminary ranking of ions by their ability to quench FRET, serving as an indirect readout of their impact on protein conformation. However, notable limitations were identified: the homology model showed structural and quality issues, and the energy minimization in the analysis pipeline was inadequate. Consequently, the results are best viewed as hypothesis-generating; further model improvements and independent simulations/experiments are needed to validate and sharpen the predictions.

Dette projekt undersøger, med molekylære simuleringer, et helix–turn–helix EF-hand-lignende motiv (P3W) som grundlag for en FRET-baseret biosensor, der kan omsætte ionbinding og tilhørende konformationsændringer til et optisk signal. Da der ikke findes en eksperimentel 3D-struktur af P3W i PDB, blev der opbygget en homologimodel og dens kvalitet vurderet med værktøjer som QMEAN. Herefter blev molekylære dynamik-simuleringer gennemført for Eu3+, Fe3+, Fe2+, Ca2+ og Mg2+, hvor en MDAnalysis-baseret arbejdsgang (forbedret under projektet) blev brugt til at generere konfigurationer, måle N–C-terminusafstande og beregne estimerede FRET-effektiviteter. På den måde blev ioner foreløbigt rangeret efter deres evne til at dæmpe FRET, som et indirekte mål for deres indflydelse på proteinets konformation. Arbejdet peger dog på væsentlige begrænsninger: homologimodellen udviste strukturelle og kvalitetsmæssige problemer, og energiminimeringen i den anvendte algoritme var utilstrækkelig. Resultaterne bør derfor betragtes som hypotesegenererende, og yderligere modelforbedringer og uafhængige simuleringer/eksperimenter er nødvendige for at validere og skærpe forudsigelserne.

[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]

YASARA ; P3W ; EF-hand ; MD simulation ; Homology modeling

Download PDF
View record in AAU Student Projects