In structural biology, immense effort has been put into discovering functionally relevant atomic resolution protein structures. Still, most experimental, computational and machine learning-based methods alone struggle to capture all the functionally relevant states of many proteins without very involved and system-specific techniques. In this thesis, I propose a new broadly applicable method for determining an ensemble of functionally relevant protein structures. The method consists of (1) generating multiple protein structures from AlphaFold2 by stochastic subsampling of the multiple sequence alignment (MSA) depth, (2) screening these structures using small-angle X-ray scattering (SAXS) data and a structure validation scoring tool, (3) simulating the screened conformers using short molecular dynamics (MD) simulations and (4) refining the ensemble of simulated structures by reweighting it against SAXS data using a bayesian maximum entropy (BME) approach. I apply the method to the T-cell intracellular antigen-1 (TIA-1) protein and find that the generated ensemble is in good agreement with the SAXS data it is fitted to, in contrast to the original set of conformations from AF2. Additionally, the predicted radius of gyration is much more consistent with the experimental value than what is predicted from a 450 ns long MD simulation starting from a single structure. Finally, I cross-validate my findings against small-angle neutron scattering (SANS) data and find that the method-generated ensemble, although not in a perfect way, fits some of the SANS data much better than the ensemble from the long MD simulation. Since the method is fairly automatic, I argue that it could be used by non-experts in MD simulations and also in combination with more advanced methods for more accurate results. I also propose generalisations of the method by tuning it to different biological systems, by using other AI-based methods or a different type of experimental data. / Inom strukturbiologi har ett stort arbete lagts på att bestämma funktionellt relevanta proteinstrukturer på atomnivå. Dock så har de flesta experimentella, simuleringsbaserade och maskinlärningsbaserade metoderna svårigheter med att ensamma bestämma alla funktionellt relevanta strukturer utan väldigt involverade och system-specifika tekniker. I den här masteruppsatsen föreslår jag en ny allmänt applicerbar metod för att bestämma ensembler av funktionellt relevanta proteinstrukturer. Metoden består utav (1) generering av ett flertal proteinkonformationer från AlphaFold2 (AF2) genom att stokastiskt subsampla djupet för multisekvenslinjering, (2) välja ut en delmängd av dessa konformationer med hjälp av small angle X-ray scattering (SAXS) och ett strukturvalideringsverktyg, (3) simulera de utvlada konformationerna med hjälp av korta molekyldynamiksimuleringar (MD-simuleringar) och (4) förfina ensemblen av simulerade konformationer genom att vikta om dem utgående från SAXS-data med en Bayesian Maximum Entropy-metod. Jag applicerar min föreslagna metod på proteinet T-cell intracellular antigen-1 och finner att den genererade ensemblen har en god anpassning till den SAXS-profil den är anpassad till, till skillnad från ensemblen av konformationer direkt genererade av AF2. Dessutom är den förutspådda tröghetsradien mycket mer konsekvent med den experimentellt förutspådda radien än vad som förutspås utifrån en 450 ns lång MD-simulering utgående från en ensam struktur. Slutgiltigen korsvaliderar jag mina upptäckter mot data från small-angle neutron scattering (SANS) och finner att den metod-genererade ensemblen, om än inte på ett perfekt sätt, passar en del av SANS-datan mycket bättre än ensemblen från den långa MD simulationen. Då metoden är ganska automatisk så argumenterar jag för att den med fördel kan användas av icke-experter inom MD simuleringar och dessutom kombineras med mer avancerade metoder för ännu bättre resultat. Jag föreslår också generaliseringar av metoden genom att kunna anpassa den till olika biologiska system, genom att använda andra AI-baserade metoder eller att använda andra typer av experimentell data.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-328871 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Eriksson Lidbrink, Samuel |
| Publisher | KTH, Tillämpad fysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2023:078 |
Page generated in 0.0031 seconds