Multiscale modeling of new fluorescent cholesterol analogs in membranes

Bidragets oversatte titel: Multiscale modellering af nye fluorescerende kolesterolanaloger i membraner

Lina J. Nåbo

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

Abstract

Denne afhandling omhandler 1) brugen af beregningsmetoder til udvikling af nye fluorescerende kolesterolanaloger og 2) validering af såkaldte polarizable embedding (PE) modeller i forskellige sammenhænge.

Trods for de meget alvorlige sygdomme, der er forbundet med kolesterolophobning, som for eksempel atherosklerose, har vi en dårlig forståelse af de molekylære mekanismer, der ligger til grund for kolesteroloptagelse og -transport i celler, og derfor er det vigtigt at udviklinge nye fluorescerende analoger af kolesterol og ergosterol til anvendelse i fluorescensmikroskopi. Vi bruger her en multiscale modelleringsmetode til at designe og evaluere nye analoger af kolesterol og ergosterol samt beslægtede oxysteroler. Vi undersøger analogernes evne til at efterligne de naturlige sterolers membrankondenserende effekt ved hjælp af klassiske molekyledynamik-simuleringer af analogerne inde i en membran. Absorptionsog fluorescens-egenskaberne evalueres med elektronstrukturberegninger ved brug af tidsafhængig tæthedsfunktional teori (TD-DFT), og membranens indflydelse på analogernes en- og to-foton absorptionsegenskaber analyseres ved hjælp af en udvidelse af PE modellen som inkluderer det effektive eksterne felt (PE-EEF) i kombination med TD-DFT. Denne model tillader gensidig polarisering af analogerne og membranomgivelserne i både grundtilstanden og under excitationsprocessen. Vores undersøgelser bekræfter brugbarheden af de tilgængelige fluorescerende analoger dehydroergosterol og cholestatrienol som sterolprober og foreslår en række nye og forbedrede prober med forlængede konjugerede dobbeltbindingssystemer, hvor methylsubstituenterne i steroidringsystemet er bevaret for at bibeholde de membrankondenserende egenskaber. Der er overensstemmelse mellem de observerede tendenser mellem analogerne i forhold til deres optiske egenskaber i gasfase og når proberne er indlejret i en membran, og desuden finder vi, at membranen har en kraftig forstærkende effekt på analogernes to-foton absorptionsstyrke.

Endvidere undersøger vi betydningen af polarisering i den klassiske region, når excitationsprocesser i det grønne fluorescerende protein (GFP) beregnes ved at sammenligne PE-EEF-modellen med elektrostatisk embedding. Vi finder, at konvergensen af absorptionsspektret med hensyn til størrelsen af kvanteregionen er signifikant hurtigere, når PE-EEF-modellen anvendes sammenlignet med elektrostatisk embedding, som giver modsatte og fejlagtige miljøeffekter. Vi undersøger også indflydelsen af Pauli-repulsion, en rent kvantemekanisk effekt. Denne effekt bliver modelleret i polarizable density embedding (PDE) modellen, som vi bruger til at beregne absorptionsspektret for et kolesterolmolekyle omgivet af et ikke-polært opløsningsmiddel. Vi viser, at Pauli-repulsion, i dette tilfælde, skal indgå i modellen for at give en kvalitativ korrekt beskrivelse af miljøeffekten under absorptionsprocessen.
Bidragets oversatte titelMultiscale modellering af nye fluorescerende kolesterolanaloger i membraner
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Kongsted, Jacob, Vejleder
  • Khandelia, Himanshu, Vejleder
  • Wüstner, Daniel, Vejleder
Udgiver
StatusUdgivet - aug. 2017

Note vedr. afhandling

Afhandlingen kan læses på SDUs bibliotek.

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Multiscale modellering af nye fluorescerende kolesterolanaloger i membraner'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater