Theoretical analyses of phenomen a involving photoactive proteins: a multiscale approach

Abstract

A la tesi Theoretical analysis of phenomena involving photoactive proteins: a multiscale approach (Anàlisi teòrica de fenòmens relatius a proteïnes fotoactives: un tractament multiescala) s'estudia una col·lecció de problemes relatius a les proteïnes fotoactives. La nostres anàlisis requereixen l'ús de tècniques multiescala, això és, un nivell rigorós de càlcul aplicat a una regió específica, combinat amb càlculs més assequibles a la resta del sistema, i comporta el desenvolupament de noves metodologies per entendre què hi succeeix. Aquestes metodologies tenen en comú la necessitat d'un tractament quàntic de diferents fenòmens que tenen lloc en proteïnes fluorescents, però també la d'una anàlisi de més gran escala, com la inclusió de l'entorn, els efectes electrostàtics o els efectes dinamics i tèrmics. Les proteïnes són la clau química de la vida. Per entendre com funcionen les cèl·lules i els éssers vius, cal estudiar una maquinària increïblement complexa de proteïnes. A banda de la seva funció natural, algunes proteïnes (com la Green Fluorescent Protein, GFP) també poden actuar com a biomarcadors quan es connecten amb altres proteïnes mijançant tecnologia genètica. Això suposa un avenç notable en biomedicina tota vegada que és possible detectar cèl·lules vives, traçar-ne el camí i visualitzar-les. D'altra banda, atès que les proteïnes són entitats molt complexes, requereixen la implementació i àdhuc en desenvolupament de mètodes nous que permetin d'abordar-ne l'estudi. És per aquest motiu que ens calen els models multiescala: es poden combinar tècniques més acurades (per bé que costoses) amb nivells de càlcul més assequibles. Aquesta tesi és un itinerari a través d'una col·lecció de metodologies que hem dissenyat i implementat, adreçades a l'estudi de sistemes biològics. En el nostra camí cap una anàlisi més profunda en aquest tipus de modelització, el primer tema abordat és el tractament dels espectres d'absorció en proteïnes vermelles fluorescents. Han calgut càlculs combinats de Mecànica Quàntica amb Mecànica Molecular (QM/MM) per a tindre en compte les interaccions de tota la proteïna amb el cromòfor, i es palesa la importància d'aquests efectes. Hem proposat una combinació de càlculs electrònics en l'estat excitat (ESEC, en anglès) amb simulacions de dinàmiques moleculars, i s'ha vist que tant els efectes electrostàtics com els tèrmics són imprescindibles per reproduir correctament l'espectre d'absorció. Partint d'eines força comunes en modelització multiescala, hem fet un pas endavant dissenyant una metodologies específica que confirma que els cromòfors no es poden tractar com a cossos rígids i aïllats i, en particular, ha obert un camí interessant per escatir la reactivitat i les cadenes de protons de les proteïnes mKeima i LSSmKate2. La següent passa ha consistit en ultrapassar l'aproximació de Born-Oppenheimer. Discutim l'existència d'un Low Barrier Hydrogen Bond (LBHB, pont d'hidrogen de barrera baixa) a la Photoactive Yellow Protein (PYP, proteïna groga fotoactiva). Un LBHB és fonamentalment un fenòmen quàntic. Es tracta d'un pont d'hidrogen en el qual la barrera d'energia entre reactius i productes és prou baixa, de manera que la funció vibracional de l'àtom d'hidrogen pot tenir la posició esperada al màxim d'energia. Això implica que l'àtom ja no s'ha de tractar com una massa puntual, sinó com una funció d'ona. Per esbrinar si hi havia o no l'LBHB, i en quines condicions, s'han fet càlculs QM/MM de la superfície d'energia potencial i simulacions de dinàmica molecular, però també s'han hagut de fer càlculs vibracionals anharmònics. Finalment, quant a la reactivitat de la GFP, es presenten mètodes més sofisticats.Emprenem l'estudi de la reacció química que causa la fluorescència a la GFP. Per això, és imprescindible un tractament quàntic per als nuclis, i es presenta una nova metodologia per calcular el flux de probabilitat. Això és, calcularem a quina velocitat el paquet d'ones va de reactius a productes, i per quines regions ho fa. A part d'això, es proposarà un estudi QM/MM de la reactivitat de la GFP a l'estat excitat que tingui en compte els efectes electrostàtics.

In the thesis Theoretical analysis of phenomena involving photoactive proteins: a multiscale approach a collection of issues regarding photoactive proteins is studied. Our analysis requires the use of multiscale techniques (that is, thorough high-level calculations on a specific region combined with less demanding calculations on the rest of the system) and brings about the development of new methodologies to understand what happens there. These methodologies have in common the need of a quantum mechanical analysis of different phenomena that involve proteins, but also a larger scale analysis, like the inclusion of the environment, the electrostatic effects or the dynamical and thermal effects. Proteins are the chemical tools of life. To understand how cells and living beings work, an incredibly complex machinery of proteins has to be studied. Apart from their natural function, some proteins (like the Green Fluorescent Protein, GFP) can also act as a biomarker when connected to other proteins by DNA technology, which suposes an outstanding achievement in biomedicine by enabling the detection, tracing and imaging of living cells. On the other hand, since proteins are very complex entities, they require the implementation and even the development of new methods to be able to tackle their study. That is why multiscale models are needed: more accurate albeit demanding techniques can be combined with more feasible levels of calculation. This thesis is an itinerary through a collection of methodologies that we have designed and implemented, aimed to the study of biological systems. In our path to a deeper analysis in multiscale modelling, the first presented issue is the treatment of the absorption spectra in red fluorescent proteins. Combined Quantum Mechanics and Molecular Mechanics (QM/MM) calculations are required to account for the interactions of the whole protein with the chromophore, and their importance will be proved. A combination of dynamics simulations and Excited-State Electronic Calculations (ESEC) has been proposed and both electrostatic and thermal effects have been revealed to be essential to correctly reproduce the experimental absorption spectra. Dealing with very common tools in multiscale modeling, a further step has been done designing a specific methodology that has confirmed that chromophores cannot be treated as rigid, isolated entities and, furthermore, has shed some light on the discussion of reactivity and proton wires in red fluorescent proteins mKeima and LSSmKate2. The next step has consisted of going beyond the Born-Oppenheimer approximation. We deal with the discussion of the existence of a Low-Barrier Hydrogen bond (LBHB) in the Photoactive Yellow Protein (PYP). An LBHB is essentially a quantum-mechanical phenomenon. It is a short hydrogen bond in which the energy barrier between reactants and products is low enough so that the vibrational function of the hydrogen atom may have its mean value at the position of the energy maximum. This implies that the atom must not be treated as a mass point, but as a delocalized wavefunction. To be able to figure out if there is or not such LBHB, and in which conditions, QM/MM energy surface calculations and dynamics simulations have had to be done, but anharmonical vibrational calculations have been needed as well. Finally, as for the GFP reactivity, more complicated methods are exposed. We undertake the study of the chemical reaction that causes the fluorescence in the GFP. To tackle this study, a quantum mechanical approach will be needed to treat the nuclei, and a new methodology to calculate probability flux will be presented. That is, we are going to find out the rate at which the wavepacket goes from reactants to products, and across which regions. Besides, a study of the excited-state reactivity that includes the electrostatic effects within a QM/MM scheme is proposed.