Konformationsdynamik von Biomolekülen: Zusammenführung von Simulation und Experiment

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Noé
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 104734058

In dieser Forschungslinie entwickeln wir Theorie und Methoden, um biophysikalische Experimente und Simulationen zusammenzuführen. Dies hat zum Ziel, die Lücke zwischen diesen Techniken zu schließen und Modelle von konkreten Biomolekülen zu generieren, die sowohl die Strukturen als auch die Kinetik des Moleküls erfassen, und damit ein verbessertes Verständnis biophysikalischer Prozesse liefern.In der vergangenen Förderperiode haben wir uns auf die Verbindung zwischen Moleküldynamik-Simulationen und kinetischen Ensemble-Experimenten konzentiert. Diese Verbindung wurde mittels Markov-Modellen der Molekulardynamik und neuer Theorie geschaffen. Die Methoden wurden auf verschiedene biomolekulare Prozesse angewandt und publiziert.In der kommenden Förderperiode planen wir weitergehende Methoden zu entwickeln, um komplexe Modelle der molekularen Kinetik direkt aus Einzelmolekültrajektorien zu schätzen. Vom Ansatz her ähnelt die vorgeschlagene Methode den Hidden-Markov Modellen, geht aber darüber hinaus und löst einige der fundamentalen Probleme mit Hidden-Markov Modellen für biophysikalische Prozesse. Das Ergebnis unserer Methode ist ein Modell der molekularen Konformationen, die in den Daten auftreten, sowie deren Interkonversionsraten, und die Verteilung der molekularen Observablen, die mit jeder Konformation einhergeht. Im Gegensatz zu Hidden Markov Modellen muss weder die Verteilungsform der Observablen, noch die Anzahl der Konformationen vorher festgelegt werden. Die Methode ist auf alle Arten von zeitaufgelösten Einzelmoleküldaten anwendbar, z.B. Optical-Tweezer oder Fluoreszenz-Daten. Zusätzlich werden die hier entwickelten Methoden die Konstruktion von Markov-Modellen aus Simulationsdaten deutlich verbessern. Um die Allgemeinheit der Methode zu zeigen, planen wir, sie auf experimentelle Daten (Optical Tweezer) und Simulationsdaten verschiedener molekularer Prozesse anzuwenden. Die Methoden werden in unserer öffentlich verfügbaren Software "EMMA" zur Verfügung gestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen