Are thermophilic proteins rigid or flexible? An in silico investigation

• Auteur / Autrice : Maria Kalimeri
• Direction : Fabio Sterpone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique, analyse des génomes et modélisation
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines bactériennes

Malate dehydrogenase

Température de transition

Facteur G d'élongation de la chaîne peptidique

Simulation de dynamique moléculaire

Résumé

Comprendre la relation entre stabilité, flexibilité et fonction dans les protéines reste l'un des problèmes les plus complexes et ouverts en chimie biophysique. Par exemple, les protéines ont besoin d'une certaine flexibilité, pour faciliter la liaison de substrat, mais aussi d'une rigidité locale pour assurer la spécificité du substrat. De bons exemples se retrouvent dans les enzymes de microorganismes vivant à des températures élevées, aussi appelées thermophiles. Ces protéines sont stables et fonctionnelles à haute température mais n'ont généralement pas d'activité aux conditions ambiantes. De ce fait, leur stabilité thermale est corrélée à une rigidité mécanique augmenté via le paradigme des états correspondants. Cependant, la généralité de cette vue a été mise en question par un nombre d'études expérimentales et computationnelles. Dans l'étude présente, nous employons la technique computationnelle de référence, nommément des simulations par dynamique moléculaire, afin d'identifier les caractéristiques microscopiques distinguant les protéines thermophiles et mésophiles, en élaborant plus particulièrement sur le paradigme de rigidité précédemment mentionné. En general, nos résultats montrent que la rigidité de la protéine n'est pas le seul moyen d'atteindre la stabilité thermique améliorée ainsi. . .

Understanding the relation between protein flexibility, stability and function remains one of the most challenging, open questions in biophysical chemistry. For example, proteins need to be flexible to facilitate substrate binding but locally rigid to sustain substrate specificity. Exemplary cases are enzymes from thermophilic organisms that thrive at elevated temperatures. These proteins are stable and functional at a high temperature regime but generally lack activity at ambient conditions. Therefore, their thermal stability has been correlated, through what's known as the corresponding states paradigm, to enhanced mechanical rigidity. The generality of this view, however, has been questioned by a number of experimental and computational studies. In the present study, we employ the ''gold standard'' of computational techniques, namely Molecular Dynamics simulations, in order to identify microscopical characteristics that distinguish thermophilic from mesophilic proteins, elaborating in particular on the rigidity paradigm mentioned above. We focus on two characteristic study-cases, two homologous monomeric G-domains of a hyperthermophilic and a mesophilic elongation factor and two homologous, thermophilic and mesophilic, tetrameric malate dehydrogenases. Our findings overall show that, indeed, protein rigidity is not the only way to achieve an enhanced thermal stability while they support the view that optimal activity of mesophilic. . .