Research on the structure of biomacromolecules based on protein structure prediction and molecular dynamics simulations: Intrinsic disorder protein and ice-binding proteins.

Abstract

Proteins perform essential roles in the biological activities, such as metabolism, signaling, and enzyme catalysis. Therefore, it is vital to understand their structure and characteristics to unravel various life phenomena. In particular, structure determines their function, and structural changes lead to functional alterations. Structural changes create various correlations. Therefore, to properly understand proteins, it is not only necessary to examine their structure but also to study their movement and protein–protein interactions under conditions mimicking those in the body. Molecular dynamics is a useful tool for explaining the movement of proteins at the atomic/molecular level. We can analyze protein characteristics at the atomic level, such as folding, structural changes, protein–ligand binding, and protein–protein interactions, by designing simulations that mimic biological systems through molecular dynamics. These simulations are beneficial in explaining life phenomena that are difficult to observe experimentally or for understanding the experimental principles. In this study, we examined three different systems to understand protein structures through molecular dynamics simulations. Each study explains various analytical methods and applications based on such simulations. By understanding the structural characteristics of proteins, we predicted the tertiary structure based on the amino acid sequence. Furthermore, we predicted the various structures of atypical proteins with the same sequence. Ice-binding proteins (IBPs), found in polar organisms, are known to have specific sequences consisting of ice-binding site residues that inhibit ice crystal growth and recrystallization, thereby protecting the organisms at subzero temperatures. By simulating the inhibition of ice growth induced by IBP binding to the ice surface, we observed the interaction between the ice-binding site residues and the ice surface. Studying protein evolution aids in predicting evolutionary changes in protein sequences and reveals structural similarities across various species. Through molecular dynamic and network analyses of alcohol dehydrogenase from multiple species, we identified amino acid sequences with evolutionary significance and studied their correlations. We applied molecular dynamics simulations to various biological systems in diverse directions and expect this approach to enhance our understanding of biological systems at the molecular level.|단백질은 생체 내 대사(metabolism), 신호전달, 효소의 촉매작용 등 생명체의 생체활동을 위한 핵심적인 기능을 수행한다. 따라서 다양한 생명현상을 이해하기 위해서 단백질에 대한 이해가 동반되어야 한다. 단백질은 수행하는 기능에 따라 다양한 구조적 변화가 발생하고, 이러한 구조 변화에 따라 다양한 상관계가 발생한다. 따라서 단백질을 제대로 이해하기 위해서는 단순히 구조에 대한 이해뿐만 아니라 생체와 동일한 조건에서 단백질의 움직임, 주변 단백질과의 상호작용에 대한 연구도 함께 동반되어야 한다. 분자동역학은 원자/분자 단위에서 단백질의 운동을 설명하기 위한 유용한 도구로, 생체 시스템을 모방한 시뮬레이션 설계를 통해 단백질의 접힘, 구조 변화, 단백질-리간드의 결합, 단백질-단백질 상호작용 등 단백질의 상호작용에 대해 원자 수준의 분석을 도와 단백질이 생체 시스템에서 어떻게 작용하는지 설명한다. 이는 실험적으로 관측하기 어려운 현상을 설명하거나 실험의 원리를 이해하는데 많은 도움이 된다. 본 연구에서는 분자동역학 시뮬레이션을 통해 단백질의 구조를 이해하기 위한 연구를 서로 다른 3개의 시스템에서 수행하였다. 각각의 연구를 통해 분자동역학 시뮬레이션을 기반으로 하는 다양한 분석 방법과, 응용 방안에 대해 설명하였다. 단백질의 구조적 특성에 대한 이해를 바탕으로, 단백질의 아미노산서열에서 3차구조를 예측하였다. 더 나아가 동일한 서열에서 다양한 구조가 도출되는 비정형 단백질의 구조예측을 진행하였다. 극지 생물체의 생체 내에서 발견되는 얼음 결합 단백질 (Ice-binding protein, IBP)은 단백질의 특정 서열(Ice-binding site residue)이 얼음 표면과의 결합을 하는 것으로 알려져 있고, 이를 통해 얼음 결정 성장과 재결정화를 억제하여 영하의 온도에서도 생명체를 보호한다. IBP가 얼음 표면에 결합하였을 때 얼음 성장 억제 시뮬레이션을 관측하고, Ice-binding site residue와 얼음 표면과의 상관관계를 관측한다. 단백질의 진화 연구를 통해 단백질 서열의 진화적 변화를 예측하고, 다양한 종 간의 구조적 유사성을 밝히는데 도움이 된다. 다양한 종에서 발견되는 알코올 탈수소효소(Alcohol dehydrogenase, ADH)의 분자동역학과 네트워크 분석을 통해 진화적 가능성이 있는 아미노산서열을 특정하고, 상관관계를 연구하였다. 우리는 다양한 생물학적 시스템에 대해서 분자동역학 시뮬레이션을 적용하여 연구를 수행하였으며, 이는 분자동역학 시스템을 다양한 방향으로 활용하여 분자 수준에서 생물학적 시스템에 대한 이해를 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.