Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Seyed Ailreza Shahidi rizi
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) سید علیرضا شهیدی ریزی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Nima Nouri
نیما نوری فعله کری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Developing a Molecular Dynamic Method for All-Atom and Coarse-Grain Simulations of Cell Membrane and Its Application in Membrane Mechanical Sculpting by I-BAR Protein
This thesis aims to investigate the effects of BAR domain proteins on the shape of cell membranes by the use of molecular dynamics simulations. The curvature of the lipid membranes can be made by different sources. The most important source is proteins. Proteins can change the shape of lipids by various phenomena such as binding to the membrane, local insertion, and scaffolding. Researchers have shown that the BAR domain proteins shift the membrane curvature by scaffolding. In this thesis, the effects of a single I-BAR protein, as well as different patterns of I-BAR proteins on the shape of the membrane, are studied. First, a comprehensive literature survey on the BAR proteins and their roles in the cell mechanisms is carried out. Because of the high computational cost of all-atom simulations, the use of a coarse grain model is inevitable. Next, a coarse grain model of the I-BAR proteins on the membrane is constructed. Finally, the effects of one and a group of proteins on the curvature of the cell membrane are studied. Simulations show that the obtained results depend on many parameters such as protein density, alignment, arrangement on the lipid membrane patch. Finally, the obtained results compared to the available numerical and experimental data in the literature. Keywords: I-BAR Protein; Shape Based Coarse Grain; Molecular Dynamics; Membrane Bending.
هدف این پژوهش مدل‌سازی اثر برخی از پروتئین‌های دامنه‌ی BAR بر روی انحنای غشاهای لیپیدی به روش دینامیک مولکولی است. اهمیت دامنه BAR در شناسایی روش‌های انتقال مواد درون‌سلولی و بین سلولی و احتمال کاربرد آتی آن در انتقال دارو به سلول‌های مریض و همچنین مطالعات جدید بر روی احتمال حس‌گر بودن این پروتئین‌ها برای بدن به‌عنوان نوعی تشخیص‌دهنده بیماری سلولی (سرطان و اختلال خون) ما را بر آن داشت تا سعی کنیم تا حدودی به سؤالات بی‌جواب در مورد این نوع از پروتئین‌ها پاسخ دهیم. در قسمت نرم‌افزاری تابه‌حال کد بر روی GPU به‌صورت کامل پیاده‌سازی نشده است. در حال حاضر تعداد انگشت‌شماری تحقیق بر روی پروتئین I-BAR به‌صورت عددی در دینامیک مولکولی وجود دارد، همچنین بررسی‌های عددی مربوط به F-BAR و تأثیر شبکه آن، بر روی انحنای غشاء ناقص است. درعین‌حال تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی محدودی بر روی I-BAR انجام‌شده و هیچ تحقیق عددی در مورد تأثیر آن بر غشاء انجام‌نشده است. برای این منظور ابتدا اثر پروتئین‌های مختلف و به‌خصوص دامنه‌ی BAR بر انحنای غشاهای لیپیدی با توجه به کارهای نظری و تجربی موجود، به‌طور کامل مرور گردید. در این مطالعه اهمیت کاربرد دامنه‌ی BAR و کارهایی که تاکنون در این زمینه صورت گرفته و درعین‌حال سؤالاتی که تاکنون بی‌پاسخ‌مانده آورده شده است. سپس خلاصه‌ای از روش MD و مروری بر کارهای انجام‌شده در راستای این هدف آورده شده است. در ادامه روابط ریاضی هنگرد‌های مورداستفاده در نظام‌های زیستی ( ) ارائه‌شده و با بقیه روابط ریاضی مشابه مقایسه شده است. سپس نرم‌افزار GPIUTMD (نرم‌افزار دینامیک مولکولی توسعه‌یافته بر روی کارت گرافیک در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان) با دیگر نرم‌افزارهای موجود درزمینه‌ی شبیه‌سازی زیستی مقایسه شده است. برای مدل‌سازی پروتئین‌های دامنه‌ی BAR تهیه‌ی مدل دانه‌درشت امری اجتناب‌ناپذیر بوده و حجم محاسباتی شبیه‌سازی‌ها به کمک این روش به‌صورت قابل‌توجهی کاهش‌یافته و عملی بودن آن را درزمانی قابل‌قبول امکان‌پذیر می‌نماید. پس از بررسی اجمالی دانه‌درشت به‌صورت مشروح روش مدل‌سازی سامانه موردبررسی با روش‌های تمام اتم و دانه‌درشت ارائه‌شده و درنهایت نتایج این پژوهش ارائه‌شده است. نتایج نشان می‌دهند که F-BAR پروتئین‌ صلب‌تری نسبت به I-BAR هست و می‌تواند توسط مکانیسم داربستی و چیدمان شبکه پروتئین انواع مختلفی از انحنا را بر روی مولکول اعمال کنند. درعین‌حال مشخص شد که پروتئین‌ F-BAR چه در حالت تکی و چه در حالت شبکه بر روی غشاء انحنای مثبت ایجاد می‌کند. همچنین بخشی از پروتئین F-BAR مشخص شد که مانند منگنه عمل کرده و پروتئین را بر روی سطح غشاء نگه می‌دارد. همچنین شبیه‌سازی‌های انجام‌گرفته از پروتئین I-BAR نشان داد که این پروتئین در انتهای زنجیره آن کاملاً تغییر شکل‌پذیر است. درعین‌حال مشخص شد این پروتئین همانند پروتئین F-BAR می‌تواند از طریق روش داربستی انحنای غشاء را تغییر دهد اما این انحنا به سمت انحنای منفی می‌باشد. باید به این نکته توجه کرد که چگونگی تغییر انحنای محلی نیز در این مولکول فعال هستند که در جهت مخالف مکانیسم داربستی عمل می‌کنند. این امر باعث می‌شود تا این پروتئین بتواند گستره وسیعی از انحنای منفی تا مثبت را در حالت شبکه‌ای، به غشاء اعمال کند. همچنین نشان داده شد که نحوه اتصال این مولکول به سطح غشاء حساسیت بسیاری به ترکیبات آمینو‌اسید‌های موجود در آن دارد و برخلاف پروتئین F-BAR کوچک‌ترین تغییری در چیدمان آمینواسیدهای آن مانع از عملکرد صحیح پروتئین می‌شود. کلمات کلیدی: پروتئین I-BAR؛ دانه درشت بر اساس شکل؛ دینامیک مولکولی؛ خمش غشاء

ارتقاء امنیت وب با وف بومی