Forskningsprojekt i Erik Marklunds grupp

Makromolekyler, till exempel proteiner, står för arbetet på mikroskopisk nivå i allt liv på jorden. De är således av särskilt intresse för livsvetenskaperna inom såväl grundforskning som industrin. Makromolekyler är dock inte statiska till sin natur och verkar sällan i enskildhet. Deras interaktioner och dynamik är därför av yttersta vikt för vår förståelse kring hur de fungerar, men också för hur deras funktion eller dysfunktion kan manipuleras för exempelvis terapeutiska syften.

En mängd experimentella tekniker kan användas för att undersöka diverse sidor av dynamiken, var och en med sina egna förutsättningar, begränsningar och fördelar. Ett komplement till experiment är avancerade beräkningsmetoder som kan ge insikter bortom experimentens räckvidd. Vår forskning tillämpar och utvecklar sådana beräkningsmetoder för att blottlägga dynamiken och interaktionerna hos makromolekyler, för att i slutändan förstå deras funktion och roll i livsprocesser på cellulär nivå.

Beräkning av kollisionstvärsnitt

Jonmobilitetsspektrometri är en hundraårig teknik som nyligen har upplevt en renässans i kölvattnet av boomen för nativ masspektrometri. Denna teknik erbjuder ett nästintill unikt alternativ för att separat undersöka strukturen hos beståndsdelarna i heterogena prover, inklusive makromolekyler som återfinns i en rad olika tillstånd, i ett enda experiment. Molekylär modellering är dock avgörande för att göra strukturella tolkningar av kollisionstvärsnitten härledda från experimentella data. Vi utvecklar kollisionstvärsnittskalkylatorer (IMPACT) för att överbrygga klyftan mellan strukturmodeller och experimentella observationer. För att möjliggöra studier av mycket stora datamängder och mycket stora strukturer är hög prestanda avgörande.

För att underlätta integrationen med andra modelleringsverktyg kan IMPACT också användas som ett programvarubibliotek, vilket minskar de kostnader som är förknippade med att skapa mellanliggande filer och anropa programvaran. Med hjälp av sådana verktyg tolkar vi data från specifika experiment, men vi utforskar också de grundläggande egenskaperna och gränserna för den strukturella informationen som kan erhållas från data. Det senare syftar till att stödja optimal design av experiment och att utforska de fysikaliska principer som styr makromolekylernas arkitektur.

Protoneringstillstånd hos proteiner i gasfas

Medan den naturliga miljön för biologiska makromolekyler oftast är någon typ av vattenlösning kräver masspektrometri och relaterade tekniker att provet överförs till gasfas. Ju mer vi vet om de processer som provmolekylerna genomgår under denna överföring, desto bättre kan vi använda dessa tekniker. Det finns för närvarande många obesvarade men ändå grundläggande frågor som behöver besvaras, som vi närmar oss genom en kombination av modellering och experiment i samarbete med ledande experter inom masspektrometri. En av de viktigaste frågorna är lokaliseringen av protoner hos proteiner i gasfas och dess inverkan på strukturen hos den senare. Strävan efter en omfattande förståelse av protondynamiken kräver nya beräkningsverktyg och noggrant utvalda modellsystem.

Manipulation av proteiner i gasfas med elektriska fält

Elektrospray-jonisering och många andra tekniker för att överföra molekyler till gasfas skapar en nettoladdning på molekylerna som inte är noll, vilket utnyttjas rutinmässigt i masspektrometriska tekniker för att åstadkomma separation. Makromolekyler bär ofta dessutom ett dipolmoment, vilket erbjuder ett annat verktyg för manipulation i gasfasen, nämligen orientering av molekyler längs med ett starkt elektriskt fält. Denna princip har föreslagits som ett sätt att öka användningsområdena för jonmobilitetsspektrometri och en partiell lösning på orienteringsproblemet vid koherent diffraktiv avbildning med frielektronlaser. Trots dessa förväntade fördelar har fenomenet förblivit praktiskt taget outforskat med avseende på makromolekyler. Vi använder molekyldynamik-simuleringar i kombination med kollisionstvärsnittsberäkningar och toppmoderna inriktningsalgoritmer från bildbehandlingsområdet för att utforska utsikterna att uppnå orientering av makromolekyler i gasfas, undersöka de tillåtna experimentella parameterområdena och göra en kvantitativ bedömning av fördelarna för jonmobilitetsspektrometri och diffraktiv avbildning.

Molekyldynamik-simuleringar utifrån jonmobilitetsdata

Jonmobilitetsspektrometri kopplad till nativ masspektrometri visar den övergripande strukturen hos makromolekyler i gasfas. Fastän tekniken kan detektera små strukturförändringar är informationen som erhålls från experimenten inte tillräcklig för fullständig rekonstruktion av proteinstrukturer. Modellering spelar därför en viktig roll, och vi arbetar med att integrera vår kollisionstvärsnittskalkylator IMPACT med den toppmoderna molekyldynamiksviten GROMACS. Detta är en ny applikation som representerar en stegvis förändring i användningen av jonmobilitetsdata. Vi strävar efter att använda denna metod för att undersöka den strukturella dynamiken hos proteiner för vilka viktiga konformationer förblir utom räckhåll för traditionella tekniker som röntgenkristallografi.

Strukturell dynamik hos lösliga och membranproteiner

Strukturell dynamik är en inneboende egenskap hos proteiner och andra makromolekyler och väsentligt för deras funktion. Med hjälp av de tekniska framsteg som gjorts inom gruppen, experimentella samarbeten och molekyldynamik-simuleringar, undersöker vi dynamiken hos proteiner för med syfte att förstå hur biomolekylära system fungerar.

Joana Filipa Costeira Paulo & Erik Marklund

Senast uppdaterad: 2023-03-23