Theoretical study of the interplay between structure and spectroscopy in biosystems

Abstract

[eng] The interplay between structure and spectroscopy in biosystems is an important scientific challenge to understand a variety of mechanisms underlying protein function in life sciences, a challenge that requires the smart combination of diverse methodologies, from excited state methods to biomolecular simulation techniques. By employing multiscale approaches combining classical molecular dynamics (MD), enhanced sampling techniques, continuum solvation models and quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) methods, this doctoral thesis aims at advancing in this field by applying multiscale approaches to characterize the structural and photophysical properties of different systems of interest. The thesis contains a methodological part addressing the parametrization of the linear-scaling ddCOSMO- MST continuum solvation models aimed at tackling large biomolecular systems. A second part applies the MST continuum model and atomistic simulations to characterize the structural and aggregation properties of napthenic acids. Then, the thesis addresses the application of multiscale approaches to study two paradigmatic examples of interrelation between structure and spectroscopy in biosciences, the molecular basis for photoacclimation and light harvesting in cryptophyte photosynthetic complexes (PC577 and PE545) and the development of strategies to study the conformational preferences of intrinsically disordered proteins like Sic1, which can then be assessed by comparison of simulated and observed Förster resonance energy transfer (FRET) spectroscopic data. These applications serve as an example for the challenges faced by current biomolecular theoretical spectroscopy, in photosynthesis related to the complexity of exciton dynamics in pigment-protein complexes, whereas in disordered proteins difficulties are related to the efficient and accurate exploration of the conformational space.

[cat] La interrelació entre estructura i espectroscòpia en biosistemes és un important desafiament científic que permet comprendre els mecanismes subjacents a la funció d’una gran diversitat de proteïnes en ciències de la vida. Aquest desafiament requereix la combinació intel·ligent de diverses metodologies, des de mètodes d’estats excitats fins a tècniques de simulació biomolecular. Utilitzant enfocaments multiescala que combinen dinàmica molecular clàssica (MD), tècniques de mostreig millorat, models de solvatació contínua i mètodes de mecànica quàntica/mecànica molecular (QM/MM), aquesta tesi doctoral té com a objectiu avançar en aquest camp per tal de caracteritzar les propietats estructurals i fotofísiques de diferents sistemes d’interès. La tesi conté una part metodològica que aborda la parametrització del model de solvatació contínua ddCOSMO-MST, el qual permet estudiar sistemes biomoleculars de gran tamany. A continuació, s’aplica el model continu MST i simulacions atomístiques a la caracterització de les propietats estructurals i d’agregació d’àcids naftènics. Finalment, la tesi aborda l’aplicació d’enfocaments multiescala per estudiar dos exemples paradigmàtics d’interrelació entre estructura i espectroscòpia en biociències, les bases moleculars subjacents als mecanismes de fotoaclimatació i captació de llum en complexos fotosintètics criptòfits (PC577 i PE545) i el desenvolupament d’estratègies per estudiar les preferències conformacionals de proteïnes intrínsecament desordenades com Sic1, preferències que després poden ser avaluades mitjançant la comparació de dades teòriques i espectroscòpiques de transferència d’energia de ressonància de Förster (FRET). Aquestes aplicacions exemplifiquen els desafiaments actuals que enfronta l’espectroscòpia biomolecular teòrica, en la fotosíntesi relacionats amb la complexitat associada a la dinàmica d’excitons en complexos pigment-proteïna, mentre que en proteïnes desordenades les dificultats estan relacionades amb l’exploració eficient i precisa de l’espai conformacional.

[spa] La interrelación entre estructura y espectroscopía en biosistemas es un importante desafío científico que permite comprender los mecanismos subyacentes a la función de una gran diversidad de proteínas en ciencias de la vida. Tal desafío requiere la combinación inteligente de diversas metodologías, desde métodos de estados excitados hasta técnicas de simulación biomolecular. Usando enfoques multiescala que combinan dinámica molecular clásica (MD), técnicas de muestreo mejorado, modelos de solvatación continua y métodos de mecánica cuántica/mecánica molecular (QM/MM), esta tesis doctoral tiene como objetivo avanzar en este campo a fin de caracterizar las propiedades estructurales y fotofísicas de diferentes sistemas de interés. La tesis contiene una parte metodológica que aborda la parametrización del modelo de solvatación continuo ddCOSMO-MST, el cual permite estudiar sistemas biomoleculares de gran tamaño. A continuación, se aplica el modelo continuo MST y simulaciones atomísticas a la caracterización de las propiedades estructurales y de agregación de ácidos nafténicos. Finalmente, la tesis aborda la aplicación de enfoques multiescala para estudiar dos ejemplos paradigmáticos de interrelación entre estructura y espectroscopía en biociencias, las bases molecular subyacente a los mecanismos de fotoaclimatación y captación de luz en complejos fotosintéticos criptófitas (PC577 y PE545) y el desarrollo de estrategias para estudiar las preferencias conformacionales de proteínas intrínsecamente desordenadas como Sic1, preferencias que luego pueden ser validadas mediante la comparación de datos teóricos y espectroscópicos de transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET). Estas aplicaciones ejemplifican los desafíos actuales que enfrenta la espectroscopía biomolecular teórica, en la fotosíntesis relacionados con la complejidad asociada a la dinámica de excitones en complejos pigmento-proteína, mientras que en proteínas desordenadas las dificultades están relacionadas con la exploración eficiente y precisa del espacio conformacional.