Water-ethanol mixtures by molecular dynamics and x-ray Compton scattering

Water-ethanol mixtures are commonly used in industry and house holds. However, quite surprisingly their molecular-level structure is still not completely understood. In particular, there is evidence that the local intermolecular geometries depend significantly on the concentration. The aim of this study was to gain information on the molecular-level structures of water-ethanol mixtures by two computational methods. The methods are classical molecular dynamics (MD), where the movement of molecules can be studied, and x-ray Compton scattering, in which the scattering cross section is sensitive to the electron momentum density. Firstly, the water-ethanol mixtures were studied with MD simulations, with the mixture concentration ranging from 0 to 100%. For the simulations well-established force fields were used for the water and ethanol molecules (TIP4P and OPLS-AA, respectively). Moreover, two models were used for ethanol, rigid and non-rigid. In the rigid model the intramolecular bond lengths are fixed, whereas in the non-rigid model the lengths are determined by harmonic potentials. Secondly, mixtures with three different concentrations employing both ethanol models were studied by calculating the experimentally observable x-ray quantity, the Compton profile. In the MD simulations a slight underestimation in the density was observed as compared to experiment. Furthermore, a positive excess of hydrogen bonding with water molecules and a negative one with ethanol was quantified. Also, the mixture was found more structured when the ethanol concentration was higher. Negligible differences in the results were found between the two ethanol models. In contrast, in the Compton scattering results a notable difference between the ethanol models was observed. For the rigid model the Compton profiles were similar for all the concentrations, but for the non-rigid model they were distinct. This leads to two possibilities of how the mixing occurs. Either the mixing is similar in all concentrations (as suggested by the rigid model) or the mixing changes for different concentrations (as suggested by the non-rigid model). Either way, this study shows that the choice of the force field is essential in the microscopic structure formation in the MD simulations. When the sources of uncertainty in the calculated Compton profiles were analyzed, it was found that more statistics needs to be collected to reduce the statistical uncertainty in the final results. The obtained Compton scattering results can be considered somewhat preliminary, but clearly indicative of the behaviour of the water-ethanol mixtures when the force field is modified. The next step is to collect more statistics and compare the results with experimental data to decide which ethanol model describes the mixture better. This way, valuable information on the microscopic structure of water-ethanol mixtures can be found. In addition, information on the force fields in the MD simulations and on the ability of the MD simulations to reproduce the microscopic structure of binary liquids is obtained.

Novel insights on functions of myotilin/palladin family members

Poikkijuovaisen luuranko- ja sydänlihaksen supistumisyksikkö, sarkomeeri, koostuu tarkoin järjestyneistä aktiini- ja myosiinisäikeistä. Rakenne eroaa muista solutyypeistä, joissa aktiinisäikeistö muovautuu jatkuvasti ja sen järjestyminen säätelee solun muotoa, solujakautumista, soluliikettä ja solunsisäisten organellien kuljetusta. Myotilin, palladin ja myopalladin kuuluvat proteiiniperheeseen, jonka yhteispiirteenä ovat immunoglobuliinin kaltaiset (Igl) domeenit. Proteiinit liittyvät aktiinitukirankaan ja niiden arvellaan toimivan solutukirangan rakenne-elementteinä ja säätelijöinä. Myotilinia ja myopalladinia ilmennetään poikkijuovaisessa lihaksessa. Sen sijaan palladinin eri silmukointimuotoja tavataan monissa kudostyypeissä kuten hermostossa, ja eri muodoilla saattaa olla solutyypistä riippuvia tehtäviä. Poikkijuovaisessa lihaksessa kaikki perheen jäsenet sijaitsevat aktiinisäikeitä yhdistävässä Z-levyssä ja ne sitovat Z-levyn rakenneproteiinia, -aktiniinia. Myotilingeenin pistemutaatiot johtavat periytyviin lihastauteihin, kun taas palladinin mutaatioiden on kuvattu liittyvän periytyvään haimasyöpään ja lisääntyneeseen sydäninfarktin riskiin. Tässä tutkimuksessa selvitettin myotilinin ja pallainin toimintaa. Kokeissa löydettiin uusia palladinin 90-92kDa alatyyppiin sitoutuvia proteiineja. Yksi niistä on aktiinidynamiikkaa säätelevä profilin. Profilinilla on kahdenlaisia tehtäviä; se edesauttaa aktiinisäikeiden muodostumista, mutta se voi myös eristää yksittäisiä aktiinimolekyylejä ja edistää säikeiden hajoamista. Solutasolla palladinin ja profilinin sijainti on yhtenevä runsaasti aktiinia sisältävillä solujen reuna-alueilla. Palladinin ja profilinin sidos on heikko ja hyvin dynaaminen, joka sopii palladinin tehtävään aktiinisäideiden muodostumisen koordinoijana. Toinen palladinin sitoutumiskumppani on aktiinisäikeitä yhteensitova -aktiniini. -Aktiniini liittää solutukirangan solukalvon proteiineihin ja ankkuroi solunsisäisiä viestintämolekyylejä. Sitoutumista välittävä alue on hyvin samankaltainen palladinissa ja myotilinissa. Luurankolihaksen liiallinen toistuva venytys muuttaa Z-levyjen rakennetta ja muotoa. Prosessin aikana syntyy uusia aktiinifilamenttejä sisältäviä tiivistymiä ja lopulta uusia sarkomeereja. Löydöstemme perusteella myotilinin uudelleenjärjestyminen noudattaa aktiinin muutoksia. Tämä viittaa siihen, että myotilin liittää yhteen uudismuodostuvia aktiinisäikeitä ja vakauttaa niitä. Myotilin saattaa myös ankkuroida viesti- tai rakennemolekyylejä, joiden tehtävänä on edesauttaa Z-levyjen uudismuodostusta. Tulostemme perusteella arvelemme, että myotilin toimii Z-levyjen rakenteen vakaajana ja aktiinisäikeiden säätelijänä. Palladinin puute johtaa sikiöaikaiseen kuolemaan hiirillä, mutta myotilinin puutoksella ei ole samanlaisia vaikutuksia. Tuotettujen myotilin poistogeenisten hiirten todetiin syntyvän ja kehittyvän normaalisti eikä niillä esiintynyt rakenteellisia tai toiminnallisia häiriöitä. Toisaalta aiemmissa kokeissa, joissa hiirille on siirretty ihmisen lihastautia aikaansaava myotilingeeni, nähdään samankaltaisia kuin sairailla ihmisillä. Näin ollen muuntunut myotilin näyttä olevan lihaksen toiminnalle haitallisempi kuin myotilinin puute. Myotilinin ja palladinin yhteisvaikutusta selvittääksemme risteytimme myotilin poistegeenisen hiiren ja hiirilinjan, joka ilmentää puutteellisesti palladinin 200 kDa muotoa. Puutteellisesti 200 kDa palladinia ilmentävien hiirten sydänlihaksessa todettiin vähäisiä hienorakenteen muutoksia, mutta risteytetyillä hiirillä tavattiin rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia myös luurankolihaksessa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että palladinin 200 kDa muoto säätelee sydänlihassolujen rakennetta. Luurankolihaksessa sen sijaan myotilinilla ja palladinilla näyttäisi olevan päällekkäisiä tehtäviä.

Mechanism of RNA Translocation by a Viral Packaging Motor

Molecular motors are proteins that convert chemical energy into mechanical work. The viral packaging ATPase P4 is a hexameric molecular motor that translocates RNA into preformed viral capsids. P4 belongs to the ubiquitous class of hexameric helicases. Although its structure is known, the mechanism of RNA translocation remains elusive. Here we present a detailed kinetic study of nucleotide binding, hydrolysis, and product release by P4. We propose a stochastic-sequential cooperative model to describe the coordination of ATP hydrolysis within the hexamer. In this model the apparent cooperativity is a result of hydrolysis stimulation by ATP and RNA binding to neighboring subunits rather than cooperative nucleotide binding. Simultaneous interaction of neighboring subunits with RNA makes the otherwise random hydrolysis sequential and processive. Further, we use hydrogen/deuterium exchange detected by high resolution mass spectrometry to visualize P4 conformational dynamics during the catalytic cycle. Concerted changes of exchange kinetics reveal a cooperative unit that dynamically links ATP binding sites and the central RNA binding channel. The cooperative unit is compatible with the structure-based model in which translocation is effected by conformational changes of a limited protein region. Deuterium labeling also discloses the transition state associated with RNA loading which proceeds via opening of the hexameric ring. Hydrogen/deuterium exchange is further used to delineate the interactions of the P4 hexamer with the viral procapsid. P4 associates with the procapsid via its C-terminal face. The interactions stabilize subunit interfaces within the hexamer. The conformation of the virus-bound hexamer is more stable than the hexamer in solution, which is prone to spontaneous ring openings. We propose that the stabilization within the viral capsid increases the packaging processivity and confers selectivity during RNA loading. Finally, we use single molecule techniques to characterize P4 translocation along RNA. While the P4 hexamer encloses RNA topologically within the central channel, it diffuses randomly along the RNA. In the presence of ATP, unidirectional net movement is discernible in addition to the stochastic motion. The diffusion is hindered by activation energy barriers that depend on the nucleotide binding state. The results suggest that P4 employs an electrostatic clutch instead of cycling through stable, discrete, RNA binding states during translocation. Conformational changes coupled to ATP hydrolysis modify the electrostatic potential inside the central channel, which in turn biases RNA motion in one direction. Implications of the P4 model for other hexameric molecular motors are discussed.

Structure and Dynamics of Coil-like Molecules by Residual Dipolar Couplings

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy provides us with many means to study biological macromolecules in solution. Proteins in particular are the most intriguing targets for NMR studies. Protein functions are usually ascribed to specific three-dimensional structures but more recently tails, long loops and non-structural polypeptides have also been shown to be biologically active. Examples include prions, -synuclein, amylin and the NEF HIV-protein. However, conformational preferences in coil-like molecules are difficult to study by traditional methods. Residual dipolar couplings (RDCs) have opened up new opportunities; however their analysis is not trivial. Here we show how to interpret RDCs from these weakly structured molecules. The most notable residual dipolar couplings arise from steric obstruction effects. In dilute liquid crystalline media as well as in anisotropic gels polypeptides encounter nematogens. The shape of a polypeptide conformation limits the encounter with the nematogen. The most elongated conformations may come closest whereas the most compact remain furthest away. As a result there is slightly more room in the solution for the extended than for the compact conformations. This conformation-dependent concentration effect leads to a bias in the measured data. The measured values are not arithmetic averages but essentially weighted averages over conformations. The overall effect can be calculated for random flight chains and simulated for more realistic molecular models. Earlier there was an implicit thought that weakly structured or non-structural molecules would not yield to any observable residual dipolar couplings. However, in the pioneering study by Shortle and Ackerman RDCs were clearly observed. We repeated the study for urea-denatured protein at high temperature and also observed indisputably RDCs. This was very convincing to us but we could not possibly accept the proposed reason for the non-zero RDCs, namely that there would be some residual structure left in the protein that to our understanding was fully denatured. We proceeded to gain understanding via simulations and elementary experiments. In measurements we used simple homopolymers with only two labelled residues and we simulated the data to learn more about the origin of RDCs. We realized that RDCs depend on the position of the residue as well as on the length of the polypeptide. Investigations resulted in a theoretical model for RDCs from coil-like molecules. Later we extended the studies by molecular dynamics. Somewhat surprisingly the effects are small for non-structured molecules whereas the bias may be large for a small compact protein. All in all the work gave clear and unambiguous results on how to interpret RDCs as structural and dynamic parameters of weakly structured proteins.

Optical Tweezers for Single Molecule Biology

Molecular machinery on the micro-scale, believed to be the fundamental building blocks of life, involve forces of 1-100 pN and movements of nanometers to micrometers. Micromechanical single-molecule experiments seek to understand the physics of nucleic acids, molecular motors, and other biological systems through direct measurement of forces and displacements. Optical tweezers are a popular choice among several complementary techniques for sensitive force-spectroscopy in the field of single molecule biology. The main objective of this thesis was to design and construct an optical tweezers instrument capable of investigating the physics of molecular motors and mechanisms of protein/nucleic-acid interactions on the single-molecule level. A double-trap optical tweezers instrument incorporating acousto-optic trap-steering, two independent detection channels, and a real-time digital controller was built. A numerical simulation and a theoretical study was performed to assess the signal-to-noise ratio in a constant-force molecular motor stepping experiment. Real-time feedback control of optical tweezers was explored in three studies. Position-clamping was implemented and compared to theoretical models using both proportional and predictive control. A force-clamp was implemented and tested with a DNA-tether in presence of the enzyme lambda exonuclease. The results of the study indicate that the presented models describing signal-to-noise ratio in constant-force experiments and feedback control experiments in optical tweezers agree well with experimental data. The effective trap stiffness can be increased by an order of magnitude using the presented position-clamping method. The force-clamp can be used for constant-force experiments, and the results from a proof-of-principle experiment, in which the enzyme lambda exonuclease converts double-stranded DNA to single-stranded DNA, agree with previous research. The main objective of the thesis was thus achieved. The developed instrument and presented results on feedback control serve as a stepping stone for future contributions to the growing field of single molecule biology.

Makrodomeeni-inhibiittorit antiviraalisina yhdisteinä

Alfavirukset ovat positiivissäkeisiä RNA-viruksia, jotka kuuluvat Togaviridea –heimoon. Alfaviruksia levittävät Aedes –suvun hyttyset ja niitä esiintyy Etelämanteretta lukuunottamatta kaikilla mantereilla. Alfaviruksia on tähän mennessä löydetty 29 lajia ja ne voidaan jakaa uuden ja vanhan maailman viruksiin niiden maantieteellisen esiintyvyyden ja taudinaiheuttamiskyvyn mukaan. Chikunkunyavirus (CHIKV) on yksi vanhan maailman alfaviruksista, jota esiintyy muun muassa Afrikassa ja Aasiassa. Ilmaston lämmettyä se on leviämässä myös eteläiseen Eurooppaan. Ihmisessä se aiheuttaa muun muassa kuumetta, päänsärkyä, ihottumaa ja niveltulehdusta, joka voi kestää useita vuosia ja ne voivat olla hyvinkin kivuliaita. Pienillä lapsilla chikungunya on todettu aiheuttavan myös neurologisia oireita kuten aivotulehdusta. Alfaviruksen genomi koodaa neljää rakenneproteiinia ja neljää replikaatioproteiinia. Replikaatioproteiineista nsP3 sisältää makrodomeeniosan. Makrodomeeniproteiinit ovat eliökunnassa konservoituneita, mutta makrodomeeniproteiinien tarkkaa merkitystä ei vielä tunneta. Makrodomeenien on osoitettu sitovan ADP-riboosia ja sen johdannaisia ja alfaviruksen nsP3-proteiinin on osoitettu olevan tärkeä osa viruksen replikaatiossa. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia makrodomeeniproteiiniin sitoutuvien yhdisteiden käyttöä antiviraalisena yhdisteinä. Tietokonemallinnuksella valittiin antiviraalitutkimuksiin 45 yhdistettä, joiden oletettiin sitoutuvan makrodomeeniproteiiniin. Kilpailevassa sitoutumiskokeessa viisi yhdistettä esti yli 50 % poly-ADP-riboosia (PAR) sitoutumasta MDO1-makrodomeeniproteiiniin, jolla tietokonemallinnus oli tehty. SFV-makrodomeeniproteiinilla tehdyssä kokeessa vain yksi yhdiste esti yli 50 % poly-ADP-riboosin sitoutumisen. SFV-antiviraalikokeessa seitsemällä yhdisteellä inhibitioprosentti oli yli 50 %. Näillä yhdisteillä ei kuitenkaan ollut merkittävää vaikutusta poly-ADP-riboosin sitoutumisen estossa. CHIKV-replikonikokeessa yli 50 % inhibitioprosentti oli viidellä yhdisteellä. Muiden mahdollisia vaikutusmekanismeja tutkittiin selvittämällä estävätkö yhdisteet virusta pääsemästä solun sisään. Tässä kokeessa tutkituista yhdisteistä lähes kaikilla oli vaikutusta viruksen soluun pääsyn estossa. Yleisesti ottaen kyky estää PAR:n sitoutuminen makrodomeeniproteiineihin ja antiviraaliset vaikutukset eivät korreloineet keskenään tutkittavilla yhdisteillä. Vaikka antiviraalista vaikutusta omaavat yhdisteet eivät osoittaneetkaan makrodomeeni-inhibiitiota, työssä löydettiin potentiaalisia antiviraalisia yhdisteitä joiden käyttö viruksen soluun pääsyn estäjinä antaa aihetta jatkotutkimuksille.

Tetrahydrofuran Clathrate Hydrate Formation

We report on the formation of tetrahydrofuran clathrate hydrate studied by x-ray Raman scattering measurements at the oxygen K edge. A comparison of x-ray Raman spectra measured from water-tetrahydrofuran mixtures and tetrahydrofuran hydrate at different temperatures supports stochastic hydrate formation models rather than models assuming hydrate precursors. This is confirmed by molecular dynamics simulations and density functional theory calculations of x-ray Raman spectra. In addition, changes in the spectra of tetrahydrofuran hydrate with temperatures close to the hydrate's dissociation temperature were observed and may be connected to changes in hydrate's local structure due to the formation of hydrogen bonds between guest and water molecules.

Dual-trap optical tweezers with real-time force clamp control

Single molecule force clamp experiments are widely used to investigate how enzymes, molecular motors, and other molecular mechanisms work. We developed a dual-trap optical tweezers instrument with real-time (200 kHz update rate) force clamp control that can exert 0–100 pN forces on trapped beads. A model for force clamp experiments in the dumbbell-geometry is presented. We observe good agreement between predicted and observed power spectra of bead position and force fluctuations. The model can be used to predict and optimize the dynamics of real-time force clamp optical tweezers instruments. The results from a proof-of-principle experiment in which lambda exonuclease converts a double-stranded DNA tether, held at constant tension, into its single-stranded form, show that the developed instrument is suitable for experiments in single molecule biology.