Characterization of protein conformational ensembles from Förster resonance energy transfer simulations

Abstract

[eng] This thesis focuses on the study of partially disordered proteins (IDPs), using calmodulin (CaM) as the system under study. Calmodulin is a crucial protein involved in numerous physiological processes, and its well-documented structure and function make it an ideal candidate for this research. The primary aim is to explore the conformational ensembles of calmodulin through molecular dynamics (MD) simulations, using two distinct force fields: Amber ff14SB, widely used for proteins, and a99SB-disp, specifically refined for disordered proteins like CaM. By generating and analyzing FRET observables, the study evaluates which force field better reflects the dynamic behavior of calmodulin. A central component of this work is the application of Förster Resonance Energy Transfer (FRET) to gain insights into protein conformational dynamics. Advanced computational methods, including TrESP-MMPol and QM/MMPol, are employed to model the energy transfer process and assess how environmental factors affect FRET observables. A particular emphasis is placed on environmental screening, which describes how interactions between the chromophores and their surroundings such as solvent molecules or protein structures modify energy transfer. This screening effect addresses limitations in traditional models, offering a more accurate representation of real-world systems. In addition to environmental screening, this thesis explores key factors influencing FRET, such as Coulombic dipole interactions and orientational anisotropy between the chromophores. A novel screening function is also introduced to study how environmental effects depend on distance, enhancing our understanding of energy transfer in complex biological systems. By connecting theoretical models with experimental data, this research deepens our understanding of calmodulin's confirmational and functional behavior. Through the integration of computational simulations and FRET methodologies, this work advances our ability to study partially disordered proteins and contributes valuable insights to the broader field of protein dynamics and energy transfer.

[cat] Aquesta tesi doctoral es centra en l'estudi de proteïnes parcialment desordenades (IDPs), utilitzant la calmodulina (CaM) com a sistema sota estudi. La calmodulina és una proteïna clau involucrada en nombrosos processos fisiològics, i la seva estructura i funció ben documentades la converteixen en un candidat ideal per a aquesta investigació. L'objectiu principal és explorar els conjunts conformacionals de la calmodulina mitjançant simulacions de dinàmica molecular (MD), utilitzant dos camps de força diferents: Amber ff14SB, àmpliament utilitzat per a proteïnes, i a99SB- disp, refinat específicament per a proteïnes desordenades com la CaM. Mitjançant la generació i l'anàlisi d'observables FRET, l'estudi avalua quin camp de forçes reflecteix millor el comportament dinàmic de la calmodulina. Un component central d'aquest treball és l'aplicació de la Transferència d'Energia per Resonància de Förster (FRET) per obtenir informació sobre les dinàmiques conformacionals de proteïnes. Es fan servir mètodes computacionals avançats, com TrESP-MMPol i QM/MMPol, per modelar el procés de transferència d'energia i avaluar com els factors ambientals afecten els observables FRET. Un èmfasi particular es posa en l'apantallament SW ﾉげambient, que descriu com les interaccions entre els cromòfors i el seu entorn (com molècules de solvent o estructures proteiques) modifiquen la transferència d'energia. Aquest efecte d'apantallament aborda les limitacions dels models tradicionals, oferint una representació més precisa dels sistemes reals. A més de l'apantallament ambiental, aquesta tesi explora factors clau que influeixen en els observables FRET, com les interaccions dipolars coulòmbiques i l'anisotropia orientacional relacionada amb els cromòfors. També es presenta una nova funció d'apantallament per estudiar com els efectes ambientals depenen de la distància, millorant la comprensió de la transferència d'energia en sistemes biològics complexos. Aquesta investigació aprofundeix en la comprensió del comportament conformacional i funcional de la calmodulina. Amb la integració de simulacions computacionals i metodologies FRET, aquest treball avança la capacitat d'estudiar proteïnes parcialment desordenades i aporta coneixements valuosos al camp més ampli de les dinàmiques proteiques i la transferència d'energia.

[spa] Esta tesis se centra en el estudio de proteínas parcialmente desordenadas (IDPs), utilizando la calmodulina (CaM) como el sistema de estudio. La calmodulina es una proteína clave involucrada en numerosos procesos fisiológicos, y su estructura y función bien documentadas la convierten en un candidato ideal para esta investigación. El objetivo principal es explorar los conjuntos conformacionales de la calmodulina mediante simulaciones de dinámica molecular (MD), utilizando dos campos de fuerza distintos: Amber ff14SB, ampliamente utilizado para proteínas, y a99SB-disp, refinado específicamente para proteínas desordenadas como la CaM. A través de la generación y análisis de observables FRET, el estudio evalúa cuál de los campos de fuerza refleja mejor el comportamiento dinámico de la calmodulina. Un componente central de este trabajo es la aplicación de la Transferencia de Energía por Resonancia de Förster (FRET) para obtener información sobre las dinámicas conformacionales de proteínas. Se emplean métodos computacionales avanzados, como TrESP-MMPol y QM/MMPol, para modelar el proceso de transferencia de energía y evaluar cómo los factores ambientales afectan los observables FRET. Se pone un énfasis particular en el apantallamiento ambiental, que describe cómo las interacciones entre los cromóforos y su entorno (como moléculas de solvente o matrices proteicas) modifican la transferencia de energía. Este efecto de apantallamiento aborda las limitaciones de los modelos tradicionales, ofreciendo una representación más precisa de los sistemas reales. Además del apantallamiento ambiental, esta tesis explora factores clave que influyen en los observables FRET, como las interacciones dipolares coulómbicas y la anisotropía orientacional relacionada con los cromóforos. También se presenta una nueva función de apantallamiento para estudiar cómo los efectos ambientales dependen de la distancia, mejorando la comprensión de la transferencia de energía en sistemas biológicos complejos. Esta investigación profundiza en la comprensión del comportamiento conformacional y funcional de la calmodulina. Con la integración de simulaciones computacionales y metodologías FRET, este trabajo avanza en la capacidad de estudiar proteínas parcialmente desordenadas y aporta conocimientos valiosos al campo más amplio de las dinámicas proteicas y la transferencia de energía. Palabras clave: proteínas desordenadas, dinámica molecular, FRET, estados excitados, modelos QM/MM multiescala