Ensemble-averaged 15N Chemical Shift Prediction in Peptides by Optimizing the Scaling Factor = 보정 계수 최적화를 통한 펩타이드의 앙상블 평균 15N 화학적 이동 예측

국문 초록 (Abstract)

핵자기공명(NMR) 분광학은 생체분자 역학을 이해하는 데 필수적인 원자 수준의 구조 정보를 제공한다. 그러나 본질적으로 무질서한 단백질(IDPs)을 분석하는 데 있어서는, 구조적 이질성과 빠른 구조 변동으로 인한 어려움이 존재한다. 본고에서는 빠르게 변하는 여러 구조를 포착하기 위한 계산 방법론을 제시한다. 이를 검증하기 위해 앙상블의 질소 NMR 화학적 이동을 밀도범함수 이론(DFT)을 통해 계산한다. 계산 방법론에는 알파-시누클레인의 C-말단에 포함된 잔기 중 DQLGK 펜타펩타이드를 활용하였다.
31개 유기 분자에 대한 구조 최적화와 NMR 계산에 882가지 범함수/기저 집합 조합을 적용 후, 실험값과의 상관관계를 비교하였다. 그 결과 구조 최적화에 B3LYP[GD3BJ]/6-311++G(d,p) 조합을, NMR 계산 시에 LC-wHPBE/6-31+G(d,p) 조합을 사용하는 최적의 계산 수준을 확립하였다. 펜타펩타이드 구조 앙상블은 40 ns 복제 교환 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 생성되었으며, 이로부터 12개의 대표 구조가 추출되었다. 12개 대표 구조의 질소 화학적 이동을 볼츠만 가중 평균으로 계산할 시, 질소 화학적 이동의 실험 측정값과 2.821-3.719 ppm 정도의 오차를 보였다. 이때 라이신 잔기에 있어서는 0.503 ppm의 오차로 일치함을 보였다. 본 연구는 동적 펩타이드 시스템의 구조를 도출하기 위한 방법론을 확립하여, 내재적으로 무질서한 단백질에 대한 이론적 앙상블 예측 가능성을 제시한다.
추가적으로, 저자장 NMR 시스템에서 내부표준물질으로서 중수소화 에탄올(CD3CH2OH 및 CH3CD2OH)을 사용함으로써, 고유한 저자기장 한계에도 불구하고 메틸 및 메틸렌 신호를 성공적으로 분해했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy provides essential atomic-level structural information for understanding biomolecular dynamics. However, analyzing intrinsically disordered proteins (IDPs) presents significant challenges due to their structural heterogeneity and rapid conformational fluctuations. This study presents a computational methodology for capturing rapidly interconverting conformers, validated through density functional theory (DFT) calculations of ensemble 15N NMR chemical shifts.
Through application of 882 functional/basis set combinations for structure optimization and NMR calculations across 19 organic molecules (43 data points), NMR chemical shift correlation analysis with the reported experimental values was performed. This established an optimal computational protocol employing B3LYP[GD3BJ]/6-311++G(d,p) for structure optimization and LC-wHPBE/6-31+G(d,p) for NMR calculations. The pentapeptide conformational ensemble was generated through 40 ns replica-exchange molecular dynamics (REMD) simulations, from which 12 representative structures were extracted. Boltzmann-weighted averaging of 15N chemical shifts for these 12 conformers resulted deviations in 2.821-3.719 ppm upfield than experimental values, except lysine demonstrating closer agreement at 0.503 ppm deviation.
Additionally, implementation of deuterated ethanol (CD3CH2OH and CH3CD2OH) as internal standards in low-field NMR systems successfully resolved methyl and methylene signals despite low-field limitation.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Figures v
• List of Tables vi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and chemical shifts 1
• 1.2. Pentapeptide from intrinsically disordered proteins 3
• 1.3. Computational theory 4
• Chapter 2. NMR experimental procedures 7
• 2.1. Methods 7
• 2.1.1 1H-15N HSQC 8
• 2.1.2 1H-1H TOCSY 9
• 2.1.3 1H-1H NOESY 10
• 2.1.4 Nitromethane reference standard 11
• 2.2. Results 12
• 2.2.1 1H-15N HSQC 12
• 2.2.2 1H-1H TOCSY 13
• 2.2.3 1H-1H NOESY 14
• 2.2.4 Nitromethane reference standard 15
• Chapter 3. Computation procedure 16
• 3.1. Correlation graph of the nitrogen 16
• 3.2. Methods 18
• 3.2.1. Optimization of correlation using organic small molecules by DFT 18
• 3.2.2. Calculate conformers of pentapeptide by MD 21
• 3.2.2.1. Simulation setup 21
• 3.2.2.3. REMD production run 24
• 3.2.2.3. Extraction of representative ensemble structures via clustering 26
• 3.3. Results 27
• 3.3.1. Optimal correlation graph 27
• 3.3.2. Geometry optimized conformers 29
• 3.3.3. 15N chemical shift Calculation 30
• 3.3.4. Gibbs free energy calculation for Boltzmann distribution 31
• Chapter 4. Discussion 33
• 4.1. Boltzmann-averaged 15N chemical shift of ensemble 33
• Chapter 5. Identification of Peak Splitting in Low-Field NMR Using Deuterated Ethanol 37
• 5.1. Methods 37
• 5.1.1. Apparatus: Low-Field NMR 37
• 5.1.2. Sample chamber description 39
• 5.2. Resulted 1D spectra and discussion 40
• Chapter 6. Comclusion 42
• References 44
• Abstract in Korean (국문초록) 57