Badanie mechanizmu transferu i konwersji energii w obrębie syntazy ATP
Identyfikator grantu: PT00777
Kierownik projektu: Jacek Czub
Realizatorzy:
- Paweł Chodnicki
- Antoni Marciniak
- Joanna Słabońska
- Kazi Amirul Hossain
- Krzysztof Jasieński
- Subrahmanyam Sappati
- Krzysztof Bojarski
- Krystian Arciszewski
- Patrycja Tomczyk
- Paweł Kołodziej
- Zuzanna Macedońska
Politechnika Gdańska
Wydział Chemiczny
Gdańsk
Data otwarcia: 2019-10-16
Streszczenie projektu
Celem projektu jest otrzymanie kinetycznej i termodynamicznej charakterystyki mechanizmu działania syntazy ATP. Jest to enzym błonowy, występujący w wewnętrznej błonie mitochondrium, odpowiedzialny za syntezę ponad 90 % komórkowego ATP. Składa się z hydrofilowego kompleksu F1, gdzie zachodzi synteza ATP, i hydrofobowego kompleksu Fo, który odpowiada za transport protonów przez błonę. Oba kompleksy są ze sobą sprzężone: rotacja głównej podjednostki Fo, c-ringu, indukuje rotację gammy, głównej podjednostki F1, której obrót pozwala na syntezę ATP. Dopiero w 2017 roku, w wyniku rozwoju techniki kriomikroskopii elektronowej, udało się ustalić strukturę całego enzymu. Znany jest zarys kompletnego cyklu katalitycznego, jednakże dopiero teraz możliwe jest ustalenie mechanistycznych detali rządzących tym procesem. Taka wiedza pozwoliłaby wyjaśnić niespotykaną wydajność enzymu (ponad 90%), a także efektywniej eksplorować syntazę ATP jako cel molekularny dla leków. Ze względu na złożoność białka (60 podjednostek), projekt będzie wymagał znacznych zasobów obliczeniowych.
Trzy aspekty działania enzymu będą badane równolegle: zmiany konformacyjne w cyklu syntezy ATP w obrębie F1, proces transportu protonów przez Fo, a także sprzężenie pomiędzy obydwoma ww. kompleksami. Badania zostaną przeprowadzone przy pomocy dynamiki molekularnej. We wszystkich przypadkach zostanie wykorzystana metoda wymuszonej rotacji, zaimplementowana w pakiecie Gromacs, a także obliczenia tzw. alchemiczne metody wyznaczania różnic energii swobodnej. Do wyznaczenia profili energii swobodnej determinujących zmiany konformacyjne w obrębie syntazy ATP zostaną użyte techniki wzmocnionego próbkowania ? w szczególności, umbrella sampling z wymianami replik, a także metadynamika w wariancie multiple-walkers. Analizy trajektorii przeprowadzimy za pomocą własnych narzędzi stworzonych przez członków grupy.
Trzy aspekty działania enzymu będą badane równolegle: zmiany konformacyjne w cyklu syntezy ATP w obrębie F1, proces transportu protonów przez Fo, a także sprzężenie pomiędzy obydwoma ww. kompleksami. Badania zostaną przeprowadzone przy pomocy dynamiki molekularnej. We wszystkich przypadkach zostanie wykorzystana metoda wymuszonej rotacji, zaimplementowana w pakiecie Gromacs, a także obliczenia tzw. alchemiczne metody wyznaczania różnic energii swobodnej. Do wyznaczenia profili energii swobodnej determinujących zmiany konformacyjne w obrębie syntazy ATP zostaną użyte techniki wzmocnionego próbkowania ? w szczególności, umbrella sampling z wymianami replik, a także metadynamika w wariancie multiple-walkers. Analizy trajektorii przeprowadzimy za pomocą własnych narzędzi stworzonych przez członków grupy.
Publikacje
- A Marciniak, P Chodnicki, J Slabonska, J Czub, Molecular Determinants of Proton Transfer in ATP Synthase FO Complex, Biophys. J. 118, (2020) 443a
- Marciniak, A., Chodnicki, P., Hossain, K., Słabońska, J., & Czub, J., Determinants of Directionality and Efficiency of the ATP Synthase Fo Motor at Atomic Resolution. , Journal of Physical Chemistry Letters 13, (2022) 387-392
- Antoni Marciniak, Molecular mechanism of the unidirectional rotation of the c-ring in ATP synthase., praca magisterska -, (2021) -
- Krzysztof Jasieński, Mechanizm katalityczny syntazy ATP, dyplom inżynierski, Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny -, (2022) -
- M. Badocha, M. Wieczór, A. Marciniak, C. Kleist, H. Grubmuller, J. Czub, Molecular mechanism and energetics of coupling between substrate binding and product release in the F1-ATPase catalytic cycle, Proc Natl Acad Sci USA 120, (2023) e2215650120