[논문 리뷰] The Folding Thermodynamics and Kinetics of Crambin Using an All-Atom Monte Carlo Simulation

Jun Shimada, Edo Kussell외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 11. 22.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 45인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 46개 아미노산으로 구성된 크램빈 단백질의 접힘 열역학 및 동역학을 모델링하기 위해 고포텐셜을 사용한 전원자 몬테카를로 시뮬레이션을 제시한다. 이 방법은 백본과 측쇄의 모든 회전 자유도를 명시적으로 포함하며, 데스크톱 컴퓨터에서 합리적인 시간 내에 천연 구조와 1 Å 이내의 dRMS로 접힘에 성공한다. 이는 협동적이고 일阶 전이 유사한 접힘 전이와 여러 경로, 그리고 동역학적 함정을 피하는 빠른 접힘 경로를 드러낸다.

ABSTRACT

We present a novel Monte Carlo simulation of protein folding, in which all heavy atoms are represented as interacting hard spheres. This model includes all degrees of freedom relevant to folding - all sidechain and backbone torsions - and uses a Go potential. In this study, we focus on the 46 residue alpha-beta protein crambin and two of its structural components, the helix and helix hairpin. For a wide range of temperatures, we have recorded multiple folding events of these three structures from random coils to native conformations that differ by less than 1 A dRMS from their crystal structure coordinates. The thermodynamics and kinetic mechanism of the helix-coil transition obtained from our simulation shows excellent agreement with currently available experimental and molecular dynamics data. Based on insights obtained from folding its smaller structural components, a possible folding mechanism for crambin is proposed. We observe that the folding occurs via a cooperative, first order-like process, and that many folding pathways to the native state exist. One particular sequence of events constitutes a ``fast-folding'' pathway where kinetic traps are avoided. At very low temperatures, a kinetic trap arising from the incorrect packing of sidechains was observed. These results demonstrate that folding to the native state can be observed in a reasonable amount of time on desktop computers even when an all-atom representation is used, provided the energetics sufficiently stabilize the native state.

연구 동기 및 목표

• 단백질 접힘의 전체 구조적 동역학을 원자 해상도 유지하면서도 계산적으로 효율적인 전원자 몬테카를로 방법을 개발하는 것.
• 물리적으로 타당한 퍼텐셜을 사용하여 크램빈 접힘의 열역학적 및 동역학적 특성을 연구하는 것.
• 단순화된 에너지 모델을 사용한 전원자 시뮬레이션으로 실험적으로 관측된 이중상태 접힘 행동을 재현할 수 있는지, 그리고 과도한 계산 비용을 피할 수 있는지 확인하는 것.
• 측쇄 포장과 회전 자유도 동역학이 접힘 메커니즘, 특히 동역학적 함정 형성에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 모든 무거운 원자를 천연 접촉 기반의 거리 의존성 정사각형 우물 퍼텐셜을 갖는 접근 불가능한 하드 스퍼어로 모델링한다 (고포텐셜).
• 백본 (phi/psi) 과 측쇄 (chi) 의 모든 회전 자유도를 포함하며, 메트로폴리스 기준에 따라 이동을 샘플링한다.
• 백본 이동은 6개 아미노산 윈도우 내에서 최대 3개의 프로린이 아닌 잔기를 포함해 phi/psi 각도를 회전시키며, 측쇄 이동은 무작위로 선택된 잔기의 모든 chi 각도를 회전시킨다.
• 회전 단계 크기는 평균 0, 표준편차 2° (백본), 10° (측쇄) 인 정규분포에서 추출된다.
• 하드 코어 및 접촉 거리를 정의하기 위해 스케일링 인자 λ=1.8 과 α=0.75 를 사용하여 기계적 충돌을 방지하고 천연 상태의 안정성을 확보한다.
• 자유 에너지 프로파일은 상관없는 상태에서 히스토그램 재가중 기법을 통해 계산되며, 통계역학적으로 상태 밀도에서 엔트로피를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고포텐셜을 사용한 전원자 몬테카를로 시뮬레이션은 표준 하드웨어에서 합리적인 계산 시간 내에 천연 상태로 접힘에 성공할 수 있는가?
• RQ2 크램빈 접힘의 열역학적 및 동역학적 행동은 어떠한가? 실험적으로 관측된 이중상태 접힘 행동과 일치하는가?
• RQ3 측쇄 포장과 회전 자유도 동역학은 접힘 메커니즘, 특히 동역학적 함정 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 헤리스, 헬릭스 헤어핀과 같은 구조적 구성요소가 크램빈의 전체 접힘 경로에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 다양한 독립된 시뮬레이션 런에서 감소 단위로 1.4에서 1.8 사이의 온도 범위에서, 백본 dRMS가 결정 구조와 1 Å 이내로 접힘에 성공하였다.
• 1.4에서 1.8 사이의 온도 범위에서, 160회의 접힘 런 중 84%가 10^8 몬테카를로 스텝 이내에 완료되어 높은 접힘 수율을 보였다.
• 헤리스-코일 전이에서는 중간체가 축적되지 않는 이중상태, 협동적 행동을 보였으며, 단일 도메인 단백질에 대한 실험 데이터와 일치하였다.
• 동역학적 함정을 피하는 뚜렷한 '빠른 접힘' 경로가 식별되었으며, 이는 천연 상태로의 주요 경로를 시사한다.
• 매우 낮은 온도에서는 잘못된 측쇄 포장으로 인해 동역학적 함정이 발생했으며, 이는 측쇄 구조적 샘플링의 중요성을 강조한다.
• 이 방법은 데스크톱 컴퓨터만으로도 통계적으로 유의미한 접힘 궤적의 집합을 수집할 수 있었으며, 단순화된 에너지 모델을 사용한 전원자 시뮬레이션의 가능성을 입증하였다.