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Towards the Understanding of Fluorescence Quenching Mechanisms : Molecular Dynamics Simulations of Dye-Quencher Interactions in Biomolecular Systems

Vaiana, Andrea C.

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Abstract

The presence of antibodies directed against p53 in human blood serum is a specific and independent marker of cancer. The present thesis is a simulative study of two fluorescent dyes (rhodamine 6G and MR121) used in the development of fluorescence-based immunoassays for the detection of p53 antibodies. The "selective" fluorescence quenching property of tryptophan residues present in dye-conjugated peptide chains enables monitoring of conformational dynamics and antibody binding events by means of fluorescence spectroscopy. The molecular mechanisms of the quenching of fluorescent dyes are mostly unknown. Here MD simulations are used in combination with existing results from ensemble fluorescence experiments in order to obtain predictive theoretical insight into dye/quencher interactions. A new automated refinement method was developed for deriving reliable molecular mechanics force field parameters for small- to medium-sized molecules using reference data from high level ab initio quantum chemical calculations. Using this method CHARMM force field parameters for the two dyes were derived. The parameters were then used to perform MD simulations on two simplified, but realistic dye quencher systems: MR121/TRP and R6G/TRP. Results of these simulations have given important insight on the bimolecular interactions between the dyes and the quencher. A quantitative interpretation of the quenching mechanism based on it’s dependence on dye/quencher distance and orientation has emerged. These results were then applied to the interpretation of simulation data of an epitope from the tumor suppressor protein p53 which was labelled at the N-terminus first with MR121 and then with R6G. In all phases of the thesis care was taken to confront and/or combine the theoretical results with available experimental data.

Translation of abstract (German)

Der Nachweis von p53-Antikörpern ist ein wichtiges Diagnoseverfahren zur Krebsfrüherkennung und Verlaufskontrolle. Mit Hilfe des Farbstoffes MR121 kann ein solcher Nachweis mittels Fluoreszenspektroskopie geführt werden. Grundlage der Fluoreszenzlöschung (quenching) des Farbstoffes ist dessen bimolekulare Wechselwirkung mit Tryptophanresten. Die molekularen Mechanismen, die dieser Fluoreszenzlöschung zu Grunde liegen, sind weitestgehend unbekannt. In der vorliegenden Arbeit werden MDKraftfeldparameter für die Farbstoffe Rhodamine 6G (R6G) und MR121 entwickelt und die Wechselwirkungen zwischen Farbstoff und Quencher (Trp) mittels Molekulardynamik Simulationen untersucht. Zur Bereitstellung eines CHARMM Kraftfelds für beide oben genannten Farbstoffe wurde eine neue, automatisierte Optimisierungsmethode für Kraftfeldparameter von Molekülen kleinerer und mittlerer Größe entwickelt. Als Referenzdaten dienten ab initio quanten-chemische Berechnungen. In einem zweiten Schritt wurden MD-Simulationen zweier Farbstoff/Quencher-Systeme durchgeführt (R6G/Trp und MR121/Trp). Die Untersuchung dieser Modellsysteme ergab wichtige Einsichten in bimolekulare Wechselwirkungen zwischen Farbstoff und Quencher. Basierend auf Abstand und relativer Orientierung des Systems, konnte eine quantitative Interpretation des Quenching-Mechanismus abgeleitet werden. Die an diesen Modellsystemen gewonnenen Resultate dienten dann zur Interpretation der Simulationsdaten zweier, am N-Terminus mit obigen Farbstoffen markierten, Epitope des Tumorsupressor Proteins p53. In allen Phasen der Doktorarbeit wurde gezielt versucht, die theoretischen Resultate mit verfügbaren experimentellen Daten zu vergleichen oder zu kombinieren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jeremy C. (Prof.), Smith
Date of thesis defense: 12 February 2004
Date Deposited: 25 Feb 2004 08:20
Date: 2004
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Lumineszenzlöschung, Fluoreszenz, Fluoreszenzfarbstoff, Molekulardynamik, Computersimulation
Uncontrolled Keywords: molecular modeling , molecular dynamics , fluorescence quenching , force field parameters , cancer
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