Analysis of conformational flexibility of methyl-phosphatidylethanolamine and triacetin using Umbrella Sampling and Replica Exchange Molecular Dynamics simulations

Molecular dynamics (MD) simulations are becoming more and more popular in studying of biologically relevant molecular systems. The analysis of motions of atoms, which are considered in calculations as material points, allows to determine a growing number of descriptive features of molecular systems, which often are not easily accessible in corresponding experiments.The critical part of MD simulation studies is valid, quantitative description of atomic interactions which are conveniently represented by so-called force field, i.e. additive potential energy function depending on position of atoms in space and set of parameters determined usually empirically or on the basis of appropriate quantum chemical calculations. A commonly overlooked and under appreciated aspect of MD simulation studies involves validation of existing force-field parameters and development of the new ones which altogether allows for correct evaluation of atomic interactions and molecular conformations.There are two molecular modelling techniques which are especially useful in validation and development of force field parameters: Umbrella Sampling (USMD) and Replica Rxchange Molecular Dynamics (REMD) simulations. The main advantage of of the USMD method is its ability to enforce enhanced sampling of high energetic conformations of a molecule under study which otherwise could be undetectable in MD simulation trajectories. The REMD method on the other hand allow for determination of detailed populations of low energy conformers at various temperatures.In this work, USMD and REMD methods were used to provide a complementary view of preferred conformations of two model organic molecules representing the headgroup of the most common bacterial membrane lipid, i.e. phosphatidylethanolamine. The conformational analysis of methyl-phosphatidylethanolamine and triacetin was performed both in the gas phase and in the diluted water solution. The collected results provide convenient overview and comparison of two complementary molecular modelling methods and show the way these methods might actually be employed in force field development studies.

W obecnych czasach coraz większe znaczenie w badaniach układów oddziałujących ze sobą biocząsteczek zyskują symulacje dynamiki molekularnej. Polegają one na kompleksowej symulacji wszystkich atomów układu cząsteczek przybliżonych jako oddziałujące punkty materialne. W odróżnieniu od technik laboratoryjnych dają możliwości wglądu w oddziaływania na poziomie atomowym, co dostarcza zupełnie nowego rodzaju informacji. Kluczową rolę w prowadzeniu symulacji dynamiki molekularnej odgrywa właściwe opisanie modelu parametrami funkcji potencjału, definiującymi oddziaływania międzyatomowe. Istnieje obecnie wiele rodzajów zestawów funkcji i parametrów nazywanych polami siłowymi. Mimo stałego rozwoju i doskonalenia na przestrzeni lat, nadal istnieją miejsca, w których istniejące zestawy parametrów wymagają poprawy.Oprócz standardowych symulacji dynamiki molekularnej wyprowadzono także bardziej złożone techniki pozwalające uzyskać trudniej dostępne dane. Na uwagę zasługują dwie z nich: Próbkowanie Parasolowe oraz symulacje MD z wymianą replik. Pierwsza z nich polega na prowadzeniu serii krótkich symulacji MD w wymuszonych stanach pokrywających całą przestrzeń konformacyjną zadanego stopnia swobody, np. rotacji wokół wybranego wiązania kowalencyjnego w cząsteczce, w celu gromadzenia informacji także z niedostępnych wysokoenergetycznych konformacji. Druga metoda polega na transferowaniu przestrzeni konformacyjnej z symulacji, w których przekraczanie barier energetycznych jest łatwe (np. z powodu wysokiej temperatury) do symulacji w niższych temperaturach.W poniższej pracy przedstawię metody oraz wyniki ich stosowania w celu analizy swobody konformacyjnej cząsteczek reprezentujących kluczowe elementy lipidu występującego w wewnętrznych błonach bakteryjnych. Przeanalizowany zostanie także wpływ środowiska wodnego na konformacje tych cząsteczek. Opisane wyniki stanowią dobry punkt wyjścia do dalszych prac nad poprawą parametrów opisujących ruchliwość konformacyjną analizowanych tu cząsteczek.