Bridging Space and Time in Biomolecular Solution
- Reference number
- FFL12-0064
- Start and end dates
- 140101-201231
- Amount granted
- 10 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Life Sciences
Summary
In this project we focus on molecular studies of biomolecules in solution over a wide span of length and time scales. Using so-called "coarse graining" techniques we are able to extrapolate atomic resolution detail to much longer length scales and so address more complex scientific questions. In particular, we will study fundamental physical aspects behind biomolecular assembly, for example of proteins, unstructured peptides and cellulose polymers. In particular we will investigate: * Protein phase transitions using mesoscopic models that capture the effect of electrostatic anisotropy, pH and salt type. This is of direct relevance to industrial applications as well as analysis of data from ESS/MAX-IV scattering facilities. * Stabilizing forces in cellulose crystals and how to disrupt these. This will be done in collaboration with the Swedish Forest Industry and can have huge economical as well as environmental benefits. * AB-amyloid kinetics near membrane interfaces using patchy sphero-cylinders that capture the effect of structural re-arrangement as well as directional hydrophobic interactions. Understanding fibril formation is of key importance for disentangling a range of detrimental diseases. * Atomistic models that provide subatomic level explanations for ion specific phenomena. This covers Hofmeister effects that has been a puzzle for more than a century. This brings important insight needed for solving the problems mentioned above.
Popular science description
Vi ämnar utveckla nya teoretiska modeller för att undersöka fundamentala växelverkningar mellan biomolekyler som proteiner, cellmembraner och cellulosapolymerer. Storleken på dessa växelverkningar bestäms av en rad fysiskalisk-kemiska egenskaper som pH, saltkoncentration, temperatur och - måhända överraskande - av vilket slags salt man har. Låt oss betrakta proteinet lysozym: I en saltlösning innehållande natriumjodid uppstår starka, attraktiva växelverkningar mellan proteinmolekylerna, vilket inte är fallet i en natriumkloridlösning. Intressant nog råder det motsatta förhållandet vid ett högt pH! Sådana fenomen karakteriseras ofta som "jonspecifika" eller betecknas som "Hofmeistereffekter" efter Franz Hofmeisters berömda upptäckt i slutet av 1800-talet. Trots att jonspecificitet förekommer i en rad såväl kemiska som biologiska system saknas en tillfyllest, molekylär beskrivning av fenomenet. Ett protein har genom sin tredimensionella struktur en given fördelning av sura och basiska grupper. Hur laddningarna är fördelade på ytan har stor betydelse för proteiners uppordning relativt varandra och ofta ger laddningsfördelningen upphov till oväntade intermolekylära komplex. Utgående från strukturen kan vi med hjälp av statistisk mekanik beräkna hur proteinerna arrangeras relativt varandra. Vi har för avsikt att i detta sammanhang inkludera hittills utelämnade mekanismer som protonöverföring och Hofmeistereffekter, vilka båda påverkar proteinernas laddningsfördelning. Växelverkningar kan även leda till störningar av den biologiska funktionen. Sjukdomar som t.ex Parkinson och Alzheimer orsakas av proteinaggregering, där biomolekylerna bildar kedjor sammanhållna av hydrofoba fläckar. Genom en nyutvecklad proteinmodell, där dessa fläckar kan öppnas och stängas, studerar vi dynamiken bakom denna kedjebildning. Vi kommer även att undersöka detta i närvaro av cellmembraner, då det är under sådana betingelser som amyloidbildning kan tänkas vara särskilt farlig. Vår arsenal av teoretiska metoder spänner över atomära datorsimuleringar till grovkorniga modeller, där vi beskriver molekylerna som uppbyggda av kulor. En mjukvara baserad på den sistnämnda metoden finns fritt tillgänglig och denna mjukvara fungerar också som en samlingspunkt för våra internationella samarbetspartners. Denna gemensamma insats medför att vi på ett mycket effektivt sätt kan utveckla nya tekniker och att vi kan tillgodogöra oss den samlade erfarenheten och expertisen hos dessa forskargrupper.