Dye’ing for FRET: The HTH motif in smFRET-MD Simulation Das HTH motif in smFRET-MD Simulation

The simulation of protein folding kinetics is a challenging task and modern computers are just reaching the performance levels required to push multiple folding trajectories into the microsecond range. Even with enough computing power at hand, the verification of the simulated protein kinetics usually relies on static parameters like average folding rates from folding experiments[34]. In recent years, single molecule FRET (smFRET) experiments have produced interesting data for the validation of folding kinetics simulations. This interest arises from the fact that single recorded photons, the raw experimental data, are directly connected to the kinetic processes during folding. Therefore, the prediction of experimental photon distributions can provide direct information on the physical correctness of the simulated folding trajectories. On this basis further understanding of the folding kinetics is desired. The focus of this thesis is the setup of a smFRET MD simulation for the 44 amino acid Helix-Turn-Helix motif of the engrailed homeodomain protein [28, 29]. This work includes the parametrisation of the Alexa 488 and Alexa 647 dyes into the Generalized Amber Force Field. A suitable smFRET-MD simulation program was developed to simulate FRET kinetics using data from MD trajectories. Additionally, several methods for FRET efficiency calculations were compared using the smFRET simulation program. Abstract Die Simulation von Proteinfaltungen ist eine komplexe Aufgabe, welche auch morderne Computer schnell an ihre Grenzen bringt. Seit einigen Jahren ist es möglich mehrere durchgängige Trajektorien von wenigen Mikrosekunden zu berechnen. Interessant ist besonders die Untersuchung von dynamischen Vorgängen während der Faltung. Diese werden meistens mittels statischer Parameter wie zum Beispiel der mittleren Faltungsrate überprüft [34]. In den letzten Jahren wurden jedoch verstärkt Einzelmolekühl FRET Messungen (smFRET) durchgeführt, welche interessante Messdaten für den Vergleich mit Simulationen liefern. Dieses Interesse lässt sich haupsächlich durch die Verbindung der experimentellen Rohdaten mit den dynamischen Prozessen in dem untersuchten System erkären. Auf dieser Grundlage können Simulation und Experiment miteinander verglichen werden. So kann die physikalische Korrektheit der Simulation geprüft werden. Die vorliegende Bachelor Arbeit befasst sich mit der Vorbereitung einer smFRET Simulation des Helix-Turn-Helix Motifs [28, 29]. Hierfür wurden die beiden FRET Farbstoffe Alexa 488 und Alexa 647 parametrisiert und für die Simulation mit dem HTH Motif vorbereitet. Zusätzlich wurde ein Programm entwickelt, mit welchen die FRET Kinetik des Systems simuliert werden kann. Anschließend wurde das Programm benutzt um einige bestehende FRET Analyse Methoden zu vergleichen und die Qualität des Programms zu überprüfen.Die Simulation von Proteinfaltungen ist eine komplexe Aufgabe, welche auch morderne Computer schnell an ihre Grenzen bringt. Seit einigen Jahren ist es möglich mehrere durchgängige Trajektorien von wenigen Mikrosekunden zu berechnen. Interessant ist besonders die Untersuchung von dynamischen Vorgängen während der Faltung. Diese werden meistens mittels statischer Parameter wie zum Beispiel der mittleren Faltungsrate überprüft [34]. In den letzten Jahren wurden jedoch verstärkt Einzelmolekühl FRET Messungen (smFRET) durchgeführt, welche interessante Messdaten für den Vergleich mit Simulationen liefern. Dieses Interesse lässt sich haupsächlich durch die Verbindung der experimentellen Rohdaten mit den dynamischen Prozessen in dem untersuchten System erkären. Auf dieser Grundlage können Simulation und Experiment miteinander verglichen werden. So kann die physikalische Korrektheit der Simulation geprüft werden. Die vorliegende Bachelor Arbeit befasst sich mit der Vorbereitung einer smFRET Simulation des Helix-Turn-Helix Motifs [28, 29]. Hierfür wurden die beiden FRET Farbstoffe Alexa 488 und Alexa 647 parametrisiert und für die Simulation mit dem HTH Motif vorbereitet. Zusätzlich wurde ein Programm entwickelt, mit welchen die FRET Kinetik des Systems simuliert werden kann. Anschließend wurde das Programm benutzt um einige bestehende FRET Analyse Methoden zu vergleichen und die Qualität des Programms zu überprüfen.