The role of time in biological systems: a computational analysis ranging from molecular dynamics to biological network simulations.

Il tempo è soggetto principale di questa tesi, ed è stato utilizzato in molti modi. A partire da simulazioni di dinamica molecolare a reti biologiche, il tempo è stato analizzato in diversi modi e con diversi ruoli. I principali temi che caratterizzano questo lavoro sono la sindrome di Von Hippel-Lindau e il ritmo circadiano, anche se un metodo di analisi di traiettorie di simulazioni di dinamica molecolare è presentato alla fine. Diversi lavori sono presentati qui, analizzando diversi aspetti della dinamica delle proteine, nonché alterazioni di pathway dipendenti dalla coordinata temporale. Il primo lavoro analizza l'interazione tra proteina Von Hippel-Lindau (pVHL) e il suo interattore principale, Hipoxya Inducibe Factor 1α mediante simulazioni di dinamica molecolare, indagando su un evento di idrossilazione di una prolina non convenzionale. Come risultato, abbiamo ottenuto che uno specifico riarrangiamento di una rete di legami a idrogeno e un incremento di affinità elettrostatica nel sistema contenente la P567 idrossilata sembrano essere compatibili con un aumento di affinità di legame per HIF-1α. Analisi di sequenza confermano anche che P567 è notevolmente conservata durante l'evoluzione, indicando un possibile ruolo per questa modificazione post trasduzionale dipendente dalla PHD-3, nella formazione del complesso pVHL-HIF-1α. Il secondo lavoro affronta lo stesso soggetto principale, ma studiato attraverso simulazioni di reti biologiche, in particolare con reti di Petri. In questo lavoro, abbiamo presentato in un modello curato manualmente di Petri Net (PN) I principali pathway funzionali di pVHL. Il modello è stato costruito utilizzando informazioni funzionali derivate dalla letteratura. Include tutte le funzioni principali pVHL ed è in grado di riprodurre in modo credibile la sindrome VHL a livello molecolare. L'affidabilità del modello PN ha permesso anche esperimenti di knockout in silico, guidata da precedenti analisi del modello. È interessante notare che l’analisi della PN suggerisce che la variabilità delle diverse manifestazioni VHL è correlata con l'inattivazione concomitante di diverse vie metaboliche. Nel terzo lavoro, concernente il ruolo strutturale del flavin-adenina-dinucleotide (FAD) attraverso simulazioni di dinamica molecolare, abbiamo analizzato la struttura cristallografica di Criptocromo di Drosophila melanogaster, per chiarire come questo co-fattore nei recettore potrebbe essere cruciale per la stabilità strutturale della proteina. Il co-fattore sembra promuovere la motilità del recettore, fornendo un effetto sterico. Inoltre, allineamenti multipli di sequenza hanno rivelato che i motivi conservati nella coda C-terminale potrebbero essere necessari per la stabilità funzionale. Il quarto lavoro concerne l'impatto che diverse sequenze hanno sui fold moderni. Abbiamo mischiato le sequenze di 10 proteine naturali e ottenuto 40 diversi e apparentemente non collegati fold. I nostri risultati suggeriscono che le sequenze ottenute sono sufficientemente stabili e possono fungere da base per evolvere proteine funzionali. La struttura secondaria comune di proteine moderne è ben rappresentata da un piccolo insieme di sequenze permutate che sottolineano anche l'emergere di disordine intrinseco e tratti di segmenti peptidici pro-aggregazione. L'ultimo lavoro qui presentato è un metodo per analizzare rapidamente traiettorie di simulazioni di dinamica molecolare. La complessità legata alla loro interpretazione e l'analisi sono ancora tra le principali sfide per la maggior parte degli utenti. In questo lavoro introduciamo RING MD, che è in grado di identificare i frame più importanti (strutture PDB) e residui chiave che causano transazioni tra diversi conformeri, fornendo una fonte di semplice interpretazione utile per gli utenti non esperti. Il confronto con l'analisi classica di tre simulazioni, ubiquitina, lisozima e glutaredossina di batteriofago T4, conferma l’efficacia di RING MD. Alla fine, il tempo non dovrebbe essere considerato semplicemente come spettatore passivo, ma effettivamente parte attiva nella modifica di sistemi e dell'ambiente. Diversi sistemi mutano in maniera diversa, a causa di diversi meccanismi, ma la principale forza motrice deve sempre essere considerata il tempo.