Hosein Geraili Daronkola

• Proteins of halophilic organisms that accumulate molar concentrations of KCl in their cytoplasm have much higher content in acidic amino acids than proteins of mesophilic organisms. It has been proposed that this excess is necessary to maintain proteins hydrated in an environment with low water activity: either via direct interactions between water and the carboxylate groups of acidic amino acids or via cooperative interactions between acidic amino acids and hydrated cations, which would stabilize the folded protein. In the course of this Ph.D. study, we investigated these possibilities using atomistic molecular dynamics simulations and classical force fields. High quality parameters describing the interaction between K+ and carboxylate groups present in acidic amino acids are indispensable for this study. We first evaluated the quality of the default parameters for these ions within the widely used AMBER ff14SB force field for proteins and found that they perform poorly. We propose new parameters, which reproduce solution activityProteins of halophilic organisms that accumulate molar concentrations of KCl in their cytoplasm have much higher content in acidic amino acids than proteins of mesophilic organisms. It has been proposed that this excess is necessary to maintain proteins hydrated in an environment with low water activity: either via direct interactions between water and the carboxylate groups of acidic amino acids or via cooperative interactions between acidic amino acids and hydrated cations, which would stabilize the folded protein. In the course of this Ph.D. study, we investigated these possibilities using atomistic molecular dynamics simulations and classical force fields. High quality parameters describing the interaction between K+ and carboxylate groups present in acidic amino acids are indispensable for this study. We first evaluated the quality of the default parameters for these ions within the widely used AMBER ff14SB force field for proteins and found that they perform poorly. We propose new parameters, which reproduce solution activity derivatives of potassium acetate solutions up to 2 mol/kg and the distances between potassium ions and carboxylate groups observed in x-ray structures of proteins. To understand the role of acidic amino acids in protein hydration, we investigated this aspect for 5 halophilic proteins in comparison with 5 mesophilic ones. Our results do not support the necessity of acidic amino acids to keep folded proteins hydrated. Proteins with a larger fraction of acidic amino acids indeed have higher hydration levels. However, the hydration level of each protein is identical at low (b_KCl = 0.15 mol/kg) and high (b_KCl = 2 mol/kg) KCl concentration. It has also been proposed that cooperative interactions between acidic amino acids with nearby hydrated cations stabilize the folded protein and slow down its solvation shell; according to this theory, the cations would be preferentially excluded from the unfolded structure. We investigate this possibility through extensive free energy calculation simulations. We find that cooperative interactions between neighboring acidic amino acids exist and are mediated by the ions in solution but are present in both folded and unfolded structures of halophilic proteins. The translational dynamics of the solvation shell is barely distinguishable between halophilic and mesophilic proteins; therefore, such a cooperative effect does not result in unusually slow solvent dynamics as has been suggested.…
• Die Hydratation von Proteinen ist entscheidend für die Funktion von Proteinen. Die meisten Proteine typischer Organismen existieren in Umgebungen, in denen die Elektrolytkonzentration deutlich unter 1 molar bleibt; in Medien mit höherer Konzentration stellen diese Proteine oft ihre Funktion ein. Im Gegensatz dazu existieren Proteine von halophilen Organismen in Umgebungen mit multimolaren Konzentrationen von KCl-Salz und verlieren oft ihre Funktion bei niedriger KCl-Konzentration. Das Verständnis der Mechanismen, durch die halophile Proteine in der Lage sind, bei hoher KCl-Konzentration zu funktionieren, ist wichtig, sowohl aus fundamentaler Sicht als auch wegen der Auswirkungen, die dieses Verständnis auf die Suche nach Enzymen haben wird, die in anderen Umgebungen mit hoher Salzkonzentration funktionieren (z.B. für die H2-Produktion in NaCl-reichem Wasser, wodurch Süßwasserressourcen geschont werden, oder um enzymatische Katalyse in Mischungen aus organischen Lösungsmitteln und Wasser durchzuführen, was von Interesse ist, wennDie Hydratation von Proteinen ist entscheidend für die Funktion von Proteinen. Die meisten Proteine typischer Organismen existieren in Umgebungen, in denen die Elektrolytkonzentration deutlich unter 1 molar bleibt; in Medien mit höherer Konzentration stellen diese Proteine oft ihre Funktion ein. Im Gegensatz dazu existieren Proteine von halophilen Organismen in Umgebungen mit multimolaren Konzentrationen von KCl-Salz und verlieren oft ihre Funktion bei niedriger KCl-Konzentration. Das Verständnis der Mechanismen, durch die halophile Proteine in der Lage sind, bei hoher KCl-Konzentration zu funktionieren, ist wichtig, sowohl aus fundamentaler Sicht als auch wegen der Auswirkungen, die dieses Verständnis auf die Suche nach Enzymen haben wird, die in anderen Umgebungen mit hoher Salzkonzentration funktionieren (z.B. für die H2-Produktion in NaCl-reichem Wasser, wodurch Süßwasserressourcen geschont werden, oder um enzymatische Katalyse in Mischungen aus organischen Lösungsmitteln und Wasser durchzuführen, was von Interesse ist, wenn Substrate oder Produkte schlecht wasserlöslich sind). Halophile Proteine haben einen außergewöhnlich hohen Gehalt an negativ geladenen Aminosäuren (saure Aminosäuren) und diese Aminosäuren, Bausteine der Proteine, sind wesentlich stärker hydratisiert als andere natürliche Aminosäuren. Eine intuitive Erklärung für den hohen Gehalt an sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist, dass sie zur Aufrechterhaltung der Proteinhydratation bei hohen KCl-Konzentrationen notwendig sind. Diese Erklärung wurde noch nicht getestet, zum Teil, weil die Quantifizierung der Proteinhydratation in einem breiten Bereich von KCl-Konzentrationen im Experiment eine Herausforderung darstellt. In dieser Arbeit überwinden wir diese Schwierigkeit durch den Einsatz von Molekularsimulationen. Wir untersuchen 10 Proteine mit unterschiedlichem Gehalt an sauren Aminosäuren, Nettoladung und Proteingröße, um allgemeine Schlussfolgerungen ziehen zu können. Wir zeigen, dass der Hydratationsgrad aller untersuchten Proteine unempfindlich gegenüber Änderungen der KCl-Konzentration ist. Dieses Ergebnis deutet stark darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der Proteinhydratation nicht die evolutionär treibende Kraft hinter der Häufigkeit von sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist. Die Robustheit der Proteinhydratation hängt mit der Tatsache zusammen, dass positiv geladene Salzionen nicht mit dem Protein um verfügbares Wasser konkurrieren, sondern die Hydratation der Proteine mit ihrer eigenen Hydratation integrieren. Es wurde auch vorgeschlagen, dass diese Integration die Wassermoleküle in der Nähe des Proteins verlangsamt. Unsere Studie zeigt eine kaum unterscheidbare Wasserdynamik zwischen halophilen und mesophilen Proteinen.…