Simuleren van eiwitbewegingen

Eiwitten zijn lange ketens van aan elkaar gekoppelde aminozuren. Een eiwitmolecuul bestaat uit een hoofdketen van peptidebindingen, de 'backbone', met zijketens eraan. De backbone is altijd hetzelfde. In de natuur komen twintig verschillende aminozuren voor en de volgorde van de aminozuurzijketens bepaalt hoe het eiwit zich gedraagt. Ieder eiwit vouwt zich op in een specifieke driedimensionale structuur en verkrijgt zo een functie, bijvoorbeeld als enzym.

Bolhuis bestudeerde een deel van het eiwit G-B1, dat voorkomt in de Streptococcus bacterie (veel levende cellen bevatten eiwitten van de G-familie). Dit G-B1-eiwitfragment is in het afgelopen decennium een modelsysteem geworden voor onderzoek naar de vorming van de zogenaamde bèta-sheets. Bèta-sheets zijn samen met alfa-helices de meest voorkomende motieven in de driedimensionale structuur van eiwitten. In een bèta-sheet liggen twee delen van de backbone zij aan zij langs elkaar. Waterstofbruggen, de aantrekkende interacties tussen een waterstofmolecuul en een naburig zuurstofmolecuul, stabiliseren deze twee delen.

Simuleren van barrièreovergangen
Het simuleren van het vouwen van in water opgeloste eiwitten is nog altijd een uitdaging voor onderzoekers. Eén van de populairste gereedschappen voor dergelijke simulaties is moleculaire dynamica (MD), waarmee wetenschappers tot nu toe processen met een tijdsduur tot maximaal ongeveer één microseconde kunnen simuleren. Eiwitten vouwen zich echter langzamer op; dit duurt enkele milliseconden tot seconden. Dit komt onder andere omdat tijdens het vouwen hoge vrije-energiebarrières overwonnen moeten worden. Een gewone MD-simulatie heeft veel tijd nodig om zo'n barrière te overwinnen, omdat de kans erg klein is dat alle thermische energie het systeem precies over de barrière heen brengt. Wanneer zo'n barrièreovergang uiteindelijk plaatsvindt, gaat deze heel snel.

Bolhuis gebruikte transition path sampling (TPS). Deze techniek, die men ontwikkeld heeft om zeldzame processen te bestuderen waarbij dergelijke hoge vrije-energiebarrières genomen moeten worden, focust de simulatie alleen op die snelle barrièreovergang. De kracht van de TPS-techniek is dus dat deze de simulatietijd reduceert tot veel kortere tijden; in dit geval ongeveer één nanoseconde in plaats van tientallen microseconden. Het TPS-algoritme genereert vervolgens een groot aantal overgangen zodat de onderzoeker zich een statistisch beeld van de reactie kan vormen. Hieruit zijn dan reactiemechanismen, overgangstoestanden en snelheidsconstanten te halen.

Andere technieken om het overwinnen van energiebarrières te simuleren zijn niet zo efficiënt voor complexe systemen zoals een eiwit, omdat het lastig is de juiste reactiecoördinaten te definiëren. Een reactiecoördinaat is een variable die heel geleidelijk de overgang van de begintoestand, in dit geval ongevouwen, naar de uiteindelijke toestand, een gevouwen eiwit, beschrijft. Kortom, deze variable geeft het reactiemechanisme weer. Het grote voordeel van TPS is nu dat men niet van te voren de juiste reactiecoördinaten hoeft te weten. Dat is juist bij het bestuderen van het vouwen van eiwitten erg nuttig.

Resultaten
Eerder onderzoek suggereerde dat bij het vouwen van het G-B1-eiwitfragment de waterstofbruggen één voor één gevormd werden: een ritssluiting als het ware. Onderzoekers vonden later dat deze theorie toch niet geheel klopte en de resultaten van Bolhuis bevestigen dit. Bij het vouwen trekken de hydrofobe delen, de zijketens die water afstoten, elkaar eerst aan. Vervolgens ontstaan waterstofbruggen tussen moleculen waterstof en zuurstof op de 'backbone' van het eiwit. De vorming van deze waterstofbruggen begint in de 'hydrofobe kern'.

Bolhuis laat met deze simulaties zien dat het mogelijk is het vouwen van een eiwit te simuleren met de TPS-methode. De snelheidsconstanten, die hij voor deze processen berekende, komen bovendien overeen met experimentele data. In de nabije toekomst kunnen onderzoekers hopelijk ook grotere eiwitten bestuderen, zodat zij met TPS een krachtig gereedschap in handen hebben voor het begrijpen van de kinetiek en dynamica van eiwitten op atomair niveau.