Interpretation of in-solution small-angle scattering data using molecular dynamics simulations

Abstract

The accurate determination of macromolecular structures often necessitates joint experimental and computational efforts. In this thesis, MD simulations are engaged to interpret small-angle scattering data of X-rays (SAXS) and neutrons (SANS). SAXS and SANS experiments are performed under near-native conditions, but provide only limited amount of structural information that are, in addition, difficult to interpret. Therefore, MD simulations are highly compatible with small-angle scattering experiments - simulations are used to interpret experimental data and in turn, experimental data are used to validate, and if necessary to guide simulations. Here, four different yet related questions are addressed. First, we quantify the influence of the ion cloud on interpreting SAXS data of charged proteins. Secondly, we study the size and the shape of detergent micelles, as this represents a starting point in improving the stability of protein-detergent complexes during the solubilization of membrane proteins. In the next step, we derive an ensemble of detergent micelles in agreement with experimental data, enabling us to study the in uence of various effects of SAXS curves and thereby making an important step towards the better understanding of the SAXS experimental data. Finally, we demonstrate how SAXS and SANS data can jointly be combined with MD simulations, allowing for fine structural characterization of proteindetergent complexes.

Die akkurate Bestimmung makromolekularer Strukturen erfordert häufig experimentelle Daten mit rechnerischen Methoden zu kombinieren. In dieser Arbeit werden MD Simulationen zur Interpretation von experimentellen Daten, die mittels Kleinwinkel- Röntgenstreuung (SAXS) und Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) aufgenommen wurden, genutzt. SAXS- und SANS-Experimente werden unter nahezu natürlichen Bedingungen durchgeführt, liefern jedoch nur ein beschränktes Maß an struktureller Information, welche sich zudem auch nur schwer interpretieren lässt. MD Simulationen eignen sich besonders gut zur Kombination mit Kleinwinkelstreuexperimenten, da die Simulationen verwendet werden können, um experimentelle Daten zu interpretieren. Umgekehrt werden experimentelle Daten benutzt, um Simulationen zu validieren und sie nötigenfalls zu lenken. Im Folgenden werden vier verschiedene jedoch verbundene Fragestellungen behandelt. Im ersten Abschnitt wird der Ein uss einer lonenwolke auf die Interpretation von SAXS-Daten geladener Proteine untersucht. Danach wird die Form und Größe tensidbasierter Mizellen untersucht. Dies ist ein Ausgangspunkt, um die Stabilität von Protein-Detergenz Komplexen während des Lösens von Membranproteinen zu erhöhen. Im nächsten Schritt wird ein Ensemble tensidbasierter Mizellen bestimmt, welches mit expirmentellen Daten übereinstimmt und es ermöglicht, den Einfluss verschiedener Effekte auf die SAXS Kurve zu studieren. Dies stellt einen wichtigen Schritt dar, um experimentelle SAXS Daten besser zu verstehen. Als vierten Punkt demonstrieren wir, wie die Kombination von SAXS- und SANS-Daten zusammen mit MD-Simulation eine genaue Strukturbestimmung von Protein-Detergenz-Komplexen ermöglicht.