Protein Folding Simulations: Confinement, External Fields and Sequence Design

The present Thesis looks at the problem of protein folding using Monte Carlo and Langevin simulations, three topics in protein folding have been studied: 1) the effect of confining potential barriers, 2) the effect of a static external field and 3) the design of amino acid sequences which fold in a short time and which have a stable native state (global minimum). Regarding the first topic, we studied the confinement of a small protein of 16 amino acids known as 1NJ0 (PDB code) which has a beta-sheet structure as a native state. The confinement of proteins occurs frequently in the cell environment. Some molecules called Chaperones, present in the cytoplasm, capture the unfolded proteins in their interior and avoid the formation of aggregates and misfolded proteins. This mechanism of confinement mediated by Chaperones is not yet well understood. In the present work we considered two kinds of potential barriers which try to mimic the confinement induced by a Chaperon molecule. The first kind of potential was a purely repulsive barrier whose only effect is to create a cavity where the protein folds up correctly. The second kind of potential was a barrier which includes both attractive and repulsive effects. We performed Wang-Landau simulations to calculate the thermodynamical properties of 1NJ0. From the free energy landscape plot we found that 1NJ0 has two intermediate states in the bulk (without confinement) which are clearly separated from the native and the unfolded states. For the case of the purely repulsive barrier we found that the intermediate states get closer to each other in the free energy landscape plot and eventually they collapse into a single intermediate state. The unfolded state is more compact, compared to that in the bulk, as the size of the barrier decreases. For an attractive barrier modifications of the states (native, unfolded and intermediates) are observed depending on the degree of attraction between the protein and the walls of the barrier. The strength of the attraction is measured by the parameter $\epsilon$. A purely repulsive barrier is obtained for $\epsilon=0$ and a purely attractive barrier for $\epsilon=1$. The states are changed slightly for magnitudes of the attraction up to $\epsilon=0.4$. The disappearance of the intermediate states of 1NJ0 is already observed for $\epsilon =0.6$. A very high attractive barrier ($\epsilon \sim 1.0$) produces a completely denatured state. In the second topic of this Thesis we dealt with the interaction of a protein with an external electric field. We demonstrated by means of computer simulations, specifically by using the Wang-Landau algorithm, that the folded, unfolded, and intermediate states can be modified by means of a field. We have found that an external field can induce several modifications in the thermodynamics of these states: for relatively low magnitudes of the field ($<2.06 \times 10^8$ V/m) no major changes in the states are observed. However, for higher magnitudes than ($6.19 \times 10^8$ V/m) one observes the appearance of a new native state which exhibits a helix-like structure. In contrast, the original native state is a $\beta$-sheet structure. In the new native state all the dipoles in the backbone structure are aligned parallel to the field. The design of amino acid sequences constitutes the third topic of the present work. We have tested the Rate of Convergence criterion proposed by D. Gridnev and M. Garcia ({\it work unpublished}). We applied it to the study of off-lattice models. The Rate of Convergence criterion is used to decide if a certain sequence will fold up correctly within a relatively short time. Before the present work, the common way to decide if a certain sequence was a good/bad folder was by performing the whole dynamics until the sequence got its native state (if it existed), or by studying the curvature of the potential energy surface. There are some difficulties in the last two approaches. In the first approach, performing the complete dynamics for hundreds of sequences is a rather challenging task because of the CPU time needed. In the second approach, calculating the curvature of the potential energy surface is possible only for very smooth surfaces. The Rate of Convergence criterion seems to avoid the previous difficulties. With this criterion one does not need to perform the complete dynamics to find the good and bad sequences. Also, the criterion does not depend on the kind of force field used and therefore it can be used even for very rugged energy surfaces.

Sensorische Erfassung von Grünlandbiomassen als Grundlage für ein teilflächenspezifisches Management im Ökologischen Landbau

Vor dem Hintergund der Integration des wissensbasierten Managementsystems Precision Farming in den Ökologischen Landbau wurde die Umsetzung bestehender sowie neu zu entwickelnder Strategien evaluiert und diskutiert. Mit Blick auf eine im Precision Farming maßgebende kosteneffiziente Ertragserfassung der im Ökologischen Landbau flächenrelevanten Leguminosen-Grasgemenge wurden in zwei weiteren Beiträgen die Schätzgüten von Ultraschall- und Spektralsensorik in singulärer und kombinierter Anwendung analysiert. Das Ziel des Precision Farming, ein angepasstes Management bezogen auf die flächeninterne Variabilität der Standorte umzusetzen, und damit einer Reduzierung von Betriebsmitteln, Energie, Arbeit und Umwelteffekten bei gleichzeitiger Effektivitätssteigerung und einer ökonomischen Optimierung zu erreichen, deckt sich mit wesentlichen Bestrebungen im Ökogischen Landbau. Es sind vorrangig Maßnahmen zur Erfassung der Variabilität von Standortfaktoren wie Geländerelief, Bodenbeprobung und scheinbare elektrische Leitfähigkeit sowie der Ertragserfassung über Mähdrescher, die direkt im Ökologischen Landbau Anwendung finden können. Dagegen sind dynamisch angepasste Applikationen zur Düngung, im Pflanzenschutz und zur Beseitigung von Unkräutern aufgrund komplexer Interaktionen und eines eher passiven Charakters dieser Maßnahmen im Ökologischen Landbau nur bei Veränderung der Applikationsmodelle und unter Einbindung weiterer dynamischer Daten umsetzbar. Beispiele hiefür sind einzubeziehende Mineralisierungsprozesse im Boden und organischem Dünger bei der Düngemengenberechnung, schwer ortsspezifisch zuzuordnende präventive Maßnamen im Pflanzenschutz sowie Einflüsse auf bodenmikrobiologische Prozesse bei Hack- oder Striegelgängen. Die indirekten Regulationsmechanismen des Ökologischen Landbaus begrenzen daher die bisher eher auf eine direkte Wirkung ausgelegten dynamisch angepassten Applikationen des konventionellen Precision Farming. Ergänzend sind innovative neue Strategien denkbar, von denen die qualitätsbezogene Ernte, der Einsatz hochsensibler Sensoren zur Früherkennung von Pflanzenkrankheiten oder die gezielte teilflächen- und naturschutzorientierte Bewirtschaftung exemplarisch in der Arbeit vorgestellt werden. Für die häufig große Flächenanteile umfassenden Leguminosen-Grasgemenge wurden für eine kostengünstige und flexibel einsetzbare Ertragserfassung die Ultraschalldistanzmessung zur Charakterisierung der Bestandeshöhe sowie verschiedene spektrale Vegetationsindices als Schätzindikatoren analysiert. Die Vegetationsindices wurden aus hyperspektralen Daten nach publizierten Gleichungen errechnet sowie als „Normalized Difference Spectral Index“ (NDSI) stufenweise aus allen möglichen Wellenlängenkombinationen ermittelt. Die Analyse erfolgte für Ultraschall und Vegetationsindices in alleiniger und in kombinierter Anwendung, um mögliche kompensatorische Effekte zu nutzen. In alleiniger Anwendung erreichte die Ultraschallbestandeshöhe durchweg bessere Schätzgüten, als alle einzelnen Vegetationsindices. Bei den letztgenannten erreichten insbesondere auf Wasserabsorptionsbanden basierende Vegetationsindices eine höhere Schätzgenauigkeit als traditionelle Rot/Infrarot-Indices. Die Kombination beider Sensorda-ten ließ eine weitere Steigerung der Schätzgüte erkennen, insbesondere bei bestandesspezifischer Kalibration. Hierbei kompensieren die Vegetationsindices Fehlschätzungen der Höhenmessung bei diskontinuierlichen Bestandesdichtenänderungen entlang des Höhengradienten, wie sie beim Ährenschieben oder durch einzelne hochwachsende Arten verursacht werden. Die Kombination der Ultraschallbestandeshöhe mit Vegetationsindices weist das Potential zur Entwicklung kostengünstiger Ertragssensoren für Leguminosen-Grasgemenge auf. Weitere Untersuchungen mit hyperspektralen Vegetationsindices anderer Berechnungstrukturen sowie die Einbindung von mehr als zwei Wellenlängen sind hinsichtlich der Entwicklung höherer Schätzgüten notwendig. Ebenso gilt es, Kalibrierungen und Validationen der Sensorkombination im artenreichen Grasland durchzuführen. Die Ertragserfassung in den Leguminosen-Grasgemengen stellt einen wichtigen Beitrag zur Erstellung einer Ertragshistorie in den vielfältigen Fruchtfolgen des Ökologischen Landbaus dar und ermöglicht eine verbesserte Einschätzung von Produktionspotenzialen und Defizitarealen für ein standortangepasstes Management.