Výpočetní modelování dynamických shluků enzymů
| Název práce v češtině: | Výpočetní modelování dynamických shluků enzymů |
|---|---|
| Název v anglickém jazyce: | Computational modeling of dynamic enzyme assemblies |
| Klíčová slova: | buněčný metabolismus|enzymové zhluky|molekulární modelování |
| Klíčová slova anglicky: | cell metabolism|enzyme assemblies|molecular modeling |
| Akademický rok vypsání: | 2024/2025 |
| Typ práce: | disertační práce |
| Jazyk práce: | |
| Ústav: | Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i. (32-UFCHAV) |
| Vedoucí / školitel: | Mgr. Štěpán Timr, Ph.D. |
| Řešitel: |
| Zásady pro vypracování |
| - Rešerše relevantní literatury týkající se dynamických shluků enzymů a modelování jejich fyzikálně-chemických vlastností.
- Osvojení si metodiky simulací molekulové dynamiky se zvláštním zaměřením na použití zhrubených a ultra-zhrubených modelů. - Využití a další rozvíjení těchto modelů pro popis difúze a interakcí molekul uvnitř dynamických shluků enzymů, se zvláštním zřetelem na shluky sdružující enzymy glykolytické dráhy. - Matematická analýza získaných dat a jejich korelace s experimentálními daty. - Publikace výsledků v impaktovaných časopisech a prezentace na mezinárodních konferencích. |
| Seznam odborné literatury |
| [1] L.J. Sweetlove, A.R. Fernie, The role of dynamic enzyme assemblies and substrate channelling in metabolic regulation. Nat. Commun. 2018, 9, 2136.
[2] G.G. Fuller, J.K. Kim, Compartmentalization and metabolic regulation of glycolysis. J. Cell. Sci. 2021, 134, jcs258469. [3] D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, Academic Press 2002. [4] W.G. Noid, Perspective: Coarse-grained models for biomolecular systems, J. Chem. Phys. 2013, 139, 090901. [5] J.F. Dama et al, The Theory of Ultra-Coarse-Graining. 1. General Principles, J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 2466. Další literatura bude upřesněna, podrobnější informace stepan.timr@jh-inst.cas.cz |
| Předběžná náplň práce |
| U řady enzymů bylo zjištěno, že se v buňkách shlukují do přechodných struktur, které se mohou objevit a zaniknout v závislosti na vnějších podmínkách. Tyto dynamické shluky byly identifikovány například v glykolýze nebo syntéze purinů. Nedávné experimentální důkazy poukazují na klíčovou roli dynamických shluku enzymů v regulaci a adaptaci buněčného metabolismu, včetně jejich možné role jako přepínače mezi dvěma nebo více konkurenčními metabolickými drahami. Mechanismy, které jsou základem tvorby a funkce těchto shluků, však musí být ještě objasněny. Pomocí kombinace atomistického, zhrubeného a ultra-zhrubeného molekulárního modelování a v těsné návaznosti na experimentální data budeme charakterizovat molekulární interakce podporující tvorbu dynamických enzymových shluků a dále budeme kvantifikovat difuzivitu enzymů a reaktantů uvnitř těchto shluků. Zejména vyhodnotíme potenciál pro účinné předávání meziproduktů mezi po sobě jdoucími enzymy dráhy. Výpočetní metodologie vyvinutá v této práci bude sloužit jako základ pro predikci metabolických toků v závislosti na složení a architektuře enzymového shluku.
Předpokládané znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika, fyzikální chemie či chemická fyzika. |
| Předběžná náplň práce v anglickém jazyce |
| In living cells, various enzymes have been found to assemble into transient structures that can appear and disassemble as a function of external conditions. Among other examples, such dynamic assemblies have been identified in glycolysis or in the purine synthesis pathway. Recent experimental evidence points to a key role of dynamic enzyme assemblies in the regulation and adaptation of cellular metabolism, including their possible role as a switch between two or more competing pathways. However, the mechanisms underlying the formation and function of these assemblies are yet to be elucidated. By using a combination of atomistic, coarse-grained, and ultra-coarse-grained molecular modeling and working in tight connection with experimental data, we will characterize molecular interactions promoting assembly formation and quantify the diffusivities of enzymes and reactants inside dynamic enzyme assemblies. In particular, we will evaluate the potential for substrate channeling, that is, passing the intermediate products efficiently between consecutive enzymes of a pathway. The computational methodology developed in this work will serve as a basis for the prediction of metabolic fluxes given the composition and architecture of an enzyme assembly.
The applicant should have knowledge corresponding to a master degree in biophysics, physical chemistry, or chemical physics. |