Optimal control approach in protein folding dynamics

Abstract

PROTE N KATLANMASI D NAM Ğ NE OPT MALCONTROL YAKLAŞIMIYazar: Uğur GünerÖZETÇEBu tezde üç boyutlu basitleştirilmiş model kullanılarak, proteinlerin katlanırken izlediğiyollar incelenmiştir. Bir dinamik model önerilmis ve bu model optimizasyon çatısıaltında çalışılmıştır. Amino asitler monomer tanecikler seklinde ifade edilmiştir.Monomerler arası etkileşim çizgisel yay kuvvetleri olarak belirlenmiştir. Ayrıca, dinamikmodele kontrol girdisi olarak bir kuvvet alanı tanımlanmıştır. Protein katlanması, dinamikmodel kestirimi ve fiziksel sınırlayıcılara tabi olan belirli bir enerji formunu minimizeeden bir sistemle, optimum kontrol problemi olarak formüle edilmiştir. Bu yaklaşım bizeherhangi bir başlangıç yapısından başlayıp doğal yapıya giden proteinin katlandığı olasıyolları oluşturmamızı sağlamıştır. Modelimiz, otuz altı tanecikli, hızlı katlanan bir proteinolan VILLIN e uygulanmıştır. Modelimiz uygulanması sonucu elde edilen yapılar doğalyapıya ortalama olarak 3.97 angstron rmsd değerinde yakınlık göstermiştir. Geniş biryoğunluk yelpazesi taşıyan başlangıç yapılarının doğal yapıya gitmesindeki izlenendinamik olaylar incelenmiştir. Ayrıca, her tanecik üzerindeki kuvvetlerin özellikleri vebu kuvvetlerin yapısal sınırlayıcılar ve etkileşimlerle olan ilişkisi incelenmiştir.

OPTIMAL CONTROL APPROACH IN DYNAMICSOF PROTEIN FOLDINGAuthor: Uğur GünerABSTRACTThis thesis explores the pathways of protein folding using a 3-D off-lattice model. Adynamic model is proposed and used in an optimization framework. Amino acids arerepresented by monomer beads centered at alpha carbon atoms. The interactions betweenmonomers are represented through spring forces .In addition, a force field is introducedas a control input to the dynamic model. Next, protein folding is formulated as an optimalcontrol problem in which a particular form of energy is minimized subject to the dynamicmodel predictions and physical constraints. This approach allows us to generate possiblepathways of protein folding from an initial configuration to the given native state. Ourmodel is applied to a fast folding, 36-residue protein, villin headpiece sub domain. Thesimulated structures resemble the real native state of chicken villin headpiece with thealpha carbon based root mean square deviation of 3.97 angstrom on the average. Startingfrom several initial conditions that cover a wide range of compactness, the sequence ofdynamic events along trajectories are studied. Furthermore, the characteristics of forceson each bead and their relation to the constraints and interactions are analyzed.