2026-09-21T03:29:17Zhttps://helda.helsinki.fi/server/oai/request

oai:helda.helsinki.fi:10138/5919792026-04-16T10:40:01Zcom_10138_565904com_10138_1com_10138_18060com_10138_17738col_10138_586374col_10138_18070

Nencini, Ricky Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten University of Helsinki, Faculty of Science Groenhof, Gerrit Ollila, Samuli Koivuniemi, Artturi 2025-02-04T14:20:16Z 2025-02-04T14:20:16Z 2025-03-07 978-952-84-0620-4 http://hdl.handle.net/10138/591979 URN:ISBN:978-952-84-0620-4 The structure-function paradigm, postulating that protein structures regulate their biological functions, is based on structural biology techniques that enable protein structure determination. However, a large fraction of biomolecular systems, such as disordered proteins, cellular membranes and other amphiphilic aggregates, are beyond the scope of these methodologies. This thesis demonstrates how these disordered biomolecular systems can be characterized using a combination of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Molecular Dynamics (MD) simulations. Cellular membranes are amphiphilic aggregates composed of phospholipids that exist in vivo in the presence of high concentrations of ions, which are essential for maintaining homeostasis and facilitating various cellular functions and signalling. However, interactions of calcium and sodium ions with lipid membranes are known to be overestimated in classical non-polarizable MD simulations, presumably because electronic polarizability is not included in these models. This thesis presents the prosECCo75 parameters for MD simulations where electronic polarization is included in the CHARMM36 force field using Electronic Continuum Correction (ECC). These parameters predict sodium and calcium binding to membranes in good agreement with NMR experiments. Furthermore, investigations of interactions between charged small molecules and membranes reveal that their binding is not generally overestimated in canonical force fields, in contrast to sodium and calcium. Moreover, the introduction of electronic polarization increases the binding strength of these molecules, exhibiting behaviour qualitatively different from that of monoatomic ions. Micelles and lipid nanodiscs are amphiphilic aggregates composed of lipids or detergents mixed with proteins or peptides. They are used, for example, as drug carriers and membrane mimetics in structural biology studies. However, their dynamic properties are often poorly understood due to the lack of straightforward methods for characterizing such systems. This thesis demonstrates how NMR experiments and MD simulations can be used to characterize the dynamics of micelles and nanodiscs in detail. Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) micelles containing peptides, and DMPC (dimyristoyl-phosphatidylcholine) nanodiscs stabilized by 22A peptides, are used as model systems. In micelles, individual detergent molecules move independently of the embedded peptides, whereas in lipid nanodiscs, all the molecules undergo collective rotational motion. Interpreting the molecular dynamics of disordered biomolecules, such as proteins, from NMR data is challenging. Various approaches exist, yet they often rely on restrictive assumptions and require large amounts of experimental data. In this thesis, a large MD simulation dataset is used to demonstrate a linear relationship between experimentally measurable spin relaxation rates, R2, and effective correlation times τ-eff, an intuitively understandable parameter that describes the rate of protein backbone rotational dynamics. This allows for the rapid interpretation of backbone dynamics directly from experimental data without additional models. Applying this method to partially disordered proteins suggests that disordered regions rotate independently of the folded domains. Biologisten molekyylien muodostamat lukuisat rakenteet ovat keskeisiä elävän aineen toimintojen mahdollistamisessa sekä myös tautien kehittymisessä. Näitä rakenteita muodostavat muun muassa yksittäiset molekyylit kuten proteiinit sekä monien molekyylien muodostamat hyvinkin kiehtovat lipidirakenteet kuten solukalvot ja amfipaattiset aggregaatit kuten misellit ja nanokiekot. Yhteistä niille on etenkin se, että vaikka niiden rakenne on osin järjestynyttä, niissä on samaan aikaan merkittäviä epäjärjestyneitä alueita, mistä johtuen niiden toimintojen ja toimintamekanismien ymmärtäminen on haastavaa ja jäänyt puutteelliseksi. Luonteva tapa korjata tätä ongelmaa olisi tutkimusmenetelmien kehittäminen. Tässä väitöskirjassa tutkittiin biologisten molekyylien muodostamia systeemejä kehittämällä ja yhdistämällä kokeellista ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa ja molekyylidynamiikkasimulaatioita. Atomitason malleihin pohjautuvat simulaatiot pystyvät parhaimmillaan antamaan yksityiskohtaisen kuvan biologisten systeemien käyttäytymisestä, mutta näitä malleja ei toistaiseksi ole optimoitu epäjärjestyneille molekyylirakenteille. Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia puolestaan tarjoaa tarkkaa dataa, mutta sen tulkinta on haastavaa. Yhdistämällä simulaatiot kokeelliseen dataan tämä väitöskirja osoittaa kuinka lipidien muodostamia solukalvomalleja voidaan parantaa, mahdollistaen tarkemman tutkimuksen solukalvojen ominaisuuksista ja toiminnoista. Edelleen väitöskirja osoittaa, että miselleissä amfipaattiset molekyylit liikkuvat pääosin itsekseen, kun taas lipidinanokiekoissa molekyylien liike on enemmänkin yhteisöllistä. Koska sekä misellit että nanokiekot ovat yleisessä käytössä biomolekyylien rakennebiologiassa, tarkempi ymmärrys niiden ominaisuuksista parantaa niiden avulla saatujen kokeellisten tulosten tulkintaa. Väitöskirja tuo myös esille havainnon, että yksi yleisesti käytetyistä rutiininomaisista ydinmagneettisista mittauksista, spinrelaksaationopeus R2, on lineaarisesti yhteydessä efektiiviseen korrelaatioaikaan. Tämä intuitiivisesti ymmärrettävä parametri kuvaa proteiinien dynamiikkaa ja on erittäin hyödyllinen epäjärjestyneiden proteiinien tutkimuksessa. Kokonaisuutena väitöstyö osoittaa, että kokeellisten ja simulaatiomenetelmien yhdistämisestä syntyvä lisäarvo on huomattava. unknown accessibility ei tietoa saavutettavuudesta okänd tillgänglighet application/pdf fulltext eng University of Helsinki Helsingin yliopisto Helsingfors universitet Helsinki Finland Dissertationes Universitatis Helsingiensis 978-952-84-0621-1 2954-2898 2954-2952 68/2025 This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. biophysics Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience Materiaalitutkimuksen ja nanotieteiden tohtoriohjelma Doktorandprogrammet i materialforskning och nanovetenskap 114 Fysiikka 114 Fysik 114 Physical sciences Conformational ensembles and dynamics of amphipathic aggregates and proteins examined by synergy of NMR experiments and MD simulation Artikkeliväitöskirja Doctoral dissertation (article-based) Artikelavhandling G5 Artikkeliväitöskirja doctoralThesis open.access