[논문 리뷰] A network model to investigate structural and electrical properties of proteins

Eleonora Alfinito, C. Pennetta외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 03. 30.

Photoreceptor and optogenetics research인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 단백질의 3차원 구조적 위상에 기반해 전기적 반응을 시뮬레이션하기 위해 군집화된 임피던스 네트워크 모델을 제안한다. 이 모델은 Cα 원자를 노드로 사용하고, 거리에 따라 연결성을 정의한다. 모델은 牛 루도프신이 원형 상태와 활성화 상태 사이에 22%의 차이를 보이며, 이는 아세틸콜린에스터라제의 6%보다 훨씬 높은 것으로, 전기적 측정을 통한 구조적 변화 탐지 가능성의 높음을 시사한다. 이는 단백질 내 혼합된 원형 상태 존재를 지지한다.

ABSTRACT

One of the main trend in to date research and development is the miniaturization of electronic devices. In this perspective, integrated nanodevices based on proteins or biomolecules are attracting a major interest. In fact, it has been shown that proteins like bacteriorhodopsin and azurin, manifest electrical properties which are promising for the development of active components in the field of molecular electronics. Here we focus on two relevant kinds of proteins: The bovine rhodopsin, prototype of GPCR protein, and the enzyme acetylcholinesterase (AChE), whose inhibition is one of the most qualified treatments of Alzheimer disease. Both these proteins exert their functioning starting with a conformational change of their native structure. Our guess is that such a change should be accompanied with a detectable variation of their electrical properties. To investigate this conjecture, we present an impedance network model of proteins, able to estimate the different electrical response associated with the different configurations. The model resolution of the electrical response is found able to monitor the structure and the conformational change of the given protein. In this respect, rhodopsin exhibits a better differential response than AChE. This result gives room to different interpretations of the degree of conformational change and in particular supports a recent hypothesis on the existence of a mixed state already in the native configuration of the protein.

연구 동기 및 목표

• 단백질의 3차원 위상 구조를 전기적 임피던스 반응으로 변환할 수 있는 계산적으로 효율적인 네트워크 모델을 개발하기 위해.
• 루도프신과 아세틸콜린에스터라제와 같은 단백질의 구조적 변화가 그들의 전기적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 전기적 측정이 원형 상태와 활성화 상태 간의 단백질 상태를 탐지하고 구분할 수 있는지 확인하기 위해.
• 분자 전자공학에서 단백질의 전기적 반응을 구조적 동역학 탐지 수단으로 사용할 수 있는지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• PDB 항목에서 단백질 구조를 Cα 탄소 원자를 노드로 사용해 네트워크로 매핑하기.
• 거리에 따라 결정되는 컷오프 반경 R을 기반으로 노드 간 연결성 정의하며, 분석에 R ≤ 6 Å 사용하기.
• 등가 RC 병렬 회로를 사용해 임피던스를 근사화하여 전기적 반응을 모델링하고, 단백질 간 비교를 가능하게 하기 위해 정규화하기.
• 주파수 의존성 임피던스를 Nyquist 도표 표현을 통해 실수부와 허수부 분석하기.
• 허수부가 실수부와 같아지는 주파수 ω*에서 유도된 효과적 커패시턴스 C*를 사용해 이상적인 반원형 행동에서의 이격도를 정량화하기.
• 다양한 PDB 항목(예: 2ACE, 1VOT, 2) 간의 임피던스 스펙트럼 비교를 통해 구조 민감도 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 군집화된 네트워크 모델은 단백질의 3차원 구조에 기반해 전기적 임피던스 반응을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 단백질의 원형 상태와 활성화 상태 사이에서 전기적 임피던스는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 루도프신과 아세틸콜린에스터라제 중 어느 단백질이 구조적 상태 변화에 대해 더 뚜렷한 전기적 서명을 보이는가?
• RQ4 단백질 구성에서 미세한 구조적 차이가 모델 내에서 측정 가능한 전기적 변화로 이어지는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 모델은 단백질의 원형 상태가 원형 및 활성화 구조의 혼합 상태를 포함할 수 있다는 가설을 지지하는가?

주요 결과

• 소의 루도프신은 원형 상태와 활성화 상태 사이에 22%의 임피던스 차이를 보이며, 이는 구조적 변화에 대한 매우 뚜렷한 전기적 반응을 나타낸다.
• 아세틸콜린에스터라제는 상태 간에 단지 6%의 임피던스 차이를 보이며, 이는 그 구조적 상태 변화의 전기적 구분이 제한적임을 시사한다.
• 두 단백질의 최대 민감도는 작은 상호작용 반경 R = 6 Å에서 발생하며, 이는 구조적 변화가 주로 근접한 이웃 상호작용에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
• 모델의 임피던스 스펙트럼은 이상적인 반원형 Nyquist 도표가 아니며, C* 값이 C에서 벗어나 단백질 네트워크 내 복잡한 리아케이션 동역학을 나타낸다.
• 최근 사이클로필린 A에 대한 실험 연구에서 관찰된 바와 같이, 단백질의 원형 상태가 원형 및 활성화 구조의 혼합 상태를 포함할 수 있다는 가설을 결과들이 지지한다.
• 네트워크 모델은 다양한 PDB 항목을 성공적으로 구분하며, 단백질 구조의 주요 위상적 및 전기적 특성을 재현한다.