Chymotrypsin inhibitor 2 (CI2)는 α-나선과 3개의 β-sheet로 구성된 단백질이다. CI2 단백질의 안정성을 알 수 있는 척도인 자유에너지(free energy)를 분석하려고 하며, 자유에너지는 용매화 자유에너지(solvation free energy)와 내부에너지(internal energy)의 영향을 받는다. 본 연구에서는, CI2 단백질 풀림에 따른 구조적인 변화를 분석하고, 접힌 상태(Folded State), 전이 상태(Transition State), 풀린 상태(Unfolded State)에 따른 자유에너지 값을 예측하려 한다. 본 연구의 결과를 통해 단백질이 풀리면서 자유에너지 값이 커지는 것을 열역학적으로 확인하였다. CI2 단백질 풀림에 따른 자유에너지 변화를 예측하는 것이 단백질 안정성을 분석하는 연구에 큰 도움을 줄 것이라 기대한다.

β-2-마이크로글로불린(β-2-Microglobulin, 이하 β2M)은 사람의 세포의 표면에 존재하는 단백질이다. 이 단백질이 어떤 영향을 받아 일부 아미노산의 구조가 변하여 돌연변이가 발생하게 되면 β2M간의 응집이 일어나게 된다. β2M의 자가 응집(self-aggregation)으로 아밀로이드 섬유(amyloid fibril) 응집체가 형성돼 이것이 신장에 쌓이게 되면 신장의 기능이 저하된 아밀로이드증(amyloidosis)이 발병한다. 단백질의 응집이 발생하는 원인에는 구조적인 영향와 열역학적 영향이 있지만 본 연구에서는 용매화 자유 에너지(solvation free energy) 변화를 중점적으로 연구하였다. 분자 동역학 시뮬레이션(molecular dynamics simulations)을 이용하여 native state의 wild type β2M와 D76N, D59P, W60C 단백질들의 용매화 자유 에너지를 계산하였다. 또한 이 분자들의 아미노산 (residue)별 용매화 자유 에너지를 비교하여 에너지에 가장 큰 영향을 주고 있는 아미노산을 파악하였다. wild type β2M뿐만 아니라 그의 돌연변이인 D76N, D59P, W60C 단백질 연구가 단백질의 돌연변이 효과에 대한 연구에 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것이라고 기대한다.

Aβ42와 Tau43은 무정형 단백질이다. 무정형 단백질은 안정한 3차 구조가 없으며, 대부분 생체 내에서 펼쳐진 상태로 존재한다. 과인산화된 Tau43 단백질의 응집으로 형성된 NFTs(Neurofibrillary tangles)와 아밀로이드베타(Aβ)는 알츠하이머 병의 주요 특징이다. 알츠하이머 환자의 뇌에서 Aβ42와 Tau43 단백질의 응집이 관찰된다. 단백질의 응집에는 Effective free energy의 구성요소인 단백질 내부에너지 (protein internal energy)와 용매화 자유에너지 (solvation free energy)가 영향을 준다. 본 연구에서는 EDISON 프로그램을 이용하여 Aβ42와 Tau43 단백질의 응집 전·후의 용매화 자유에너지(solvation free energy) 변화와 단백질 내부에너지변화(protein internal energy)를 계산하고자 한다. 연구의 결과로 두 단백질 모두 용매화 자유에너지 (solvation free energy)가 증가함을 보이며 응집한다는 것을 예측 할 수 있다.

초발수 표면은 표면이 젖지 않으면서 물방울이 자유롭게 움직일 수 있는 표면을 말한다. 이는 자연에서 많이 관찰되며 예를 들면 연잎, 나비와 곤충의 다리가 대표적이다. 일반적으로 초발수 표면은 물방울과 접촉할 때 이루는 각이 150°보다 크며, 표면을 5°정도 기울이면 물방울이 굴러가기 시작한다. 특히 연잎 표면을 자세히 보면 마이크로/나노 단위의 미세한 돌기가 표면 위에 존재한다. 이러한 연잎 표면의 구조에 따른 특성을 모방하여 표면 위에 인위적으로 다양한 모양, 크기의 돌기를 만들어 표면의 초발수 특성을 향상시키는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연구가 다양하고 광범위하게 진행되면서, 학문적인 원인 분석 외에도 산업에서의 활용가능성이 주목받고 있다. 이에 따라 이 논문은 전산모사 방법을 사용하여 표면 돌기와 관련된 다양한 변수(돌기의 모양, 높이, 너비, 돌기 사이의 간격, 표면과 물 분자 간의 에너지)에 따라 표면의 초발수 특성이 어떻게 변하는지 연구해보고, 초발수 현상의 특징과 그 발생 원인을 이해하는데 목적을 두며 이러한 연구결과는 실제 산업현장에서 최적의 초발수 표면을 제작하는데 도움을 줄 것이다.

Tumor suppressor protein p53 loses its function upon binding with the HDM2 protein, and inhibiting the p53-HDM2 interaction is critical to suppress tumor cell growth. Recently, the cyclized helix-loop-helix peptide (cHLH) mimicking the α-helix part of the p53 protein has been designed and found to exhibit high binding affinity with HDM2. Here, we report the structural and thermodynamic characteristics of the bound complex of the cHLH peptide with the HDM2 protein. We performed molecular dynamics simulations to investigate the structural features of the cHLH peptide as well as its complex with the HDM2. The binding free energy calculation based on the integral equation theory was also executed to quantify the binding affinity for the cHLH/HDM2 complex and to understand the factors contributing to the binding affinity. We found a variety of factors for the helix stability of the cHLH peptide as well as in the complexation with the HDM2, which may provide an insight into the development of anti-cancer drug designs.

Hydrophobicity is the key concept to understand the water plays in protein folding, protein aggregation, and protein-protein interaction. Traditionally, the hydrophobicity of protein is defined based on the scales of the hydrophobicity of residue, assuming that the hydrophobicity of free amino acids is maintained. Here, we explore how the hydrophobicity of constituting amino acids in protein rely on the protein context, in particular, on the total charge and secondary structures of a protein. To this end, we calculate and investigate the hydration free energy of three short proteins based on the integral-equation theory of liquids. We find that the hydration free energy of charged amino acids is significantly affected by the protein total charge and exhibits contrasting behavior depending on the protein total charge being positive or negative. We also observe that amino acids in the β-sheets display more enhanced the hydrophobicity than amino acids in the loop, whereas those in the α-helix do not clearly show such a tendency. And the salt-bridge forming amino acids also exhibit increase of the hydrophobicity than that with no salt bridge. Our results provide novel insights into the hydrophobicity of amino acids, and will be valuable for rationalizing and predicting the strength of water-mediated interaction involved in the biological activity of proteins.

The molecular interactions between the nucleic acid bases and water molecules are important in organism. Despite Adenine-Thymine Hoogsteen base pair and Guanine-Cytosine Watson-Crick base pair have been demonstrated to be most stable in a gas phase, the effect of water on the stability of these base pairs remains elusive. Here we report the structural and thermodynamic characteristics on possible Adenine-Thymine and Guanine-Cytosine base pairs in a gas phase as well as in an aqueous phase by using quantum mechanical method and statistical mechanical calculations. First, we optimized the direct base-pair interaction energies of four Adenine-Thymine base pairs (Hoogsteen base pair, reverse Hoogsteen base pair, Watson-Crick base pair, and reverse Watson-Crick base pair) and three Guanine-Cytosine base pairs (GC1 base pair, GC2 base pair, and Watson Crick base pair) in a gas phase at the B3LYP/6-31+G** level. Then, the effect of solvent was quantified by the electronic reorganization energy and the solvation free energy by statistical mechanical calculations. Thereby, we discuss the effect of water on the stability of Adenine-Thymine and Guanine-Cytosine base pairs, and argue why Adenine-Thymine Watson-Crick base pair and Guanine-Cytosine Watson-Crick base pair are most stable in an aqueous environment.

Fasciclin 1 (FAS1) is an extracellular protein whose aggregation in cornea leads to visual impairment. While a number of FAS1 mutants have been studied that exhibit enhanced/decreased aggregation propensity, no structural information has been provided so far that is associated with distinct aggregation potential. In this study, we have investigated the structural and thermodynamic characteristics of the wild-type FAS1 and its two mutants, R555Q and R555W, by using molecular dynamics simulations and three-dimensional reference interaction site model (3D-RISM) theory. We find that the hydrophobic solvent accessible surface area increases due to hydrophobic core repacking in the C-terminus caused by the mutation. We also find that the solvation free energy of the mutants increases due to the enhanced non-native H-bonding. These structural and thermodynamic changes upon mutation contribute to understand the aggregation of these mutants.

Hydrophobicity is the key concept to understand the role of water in protein folding, self-assembly, and protein-ligand interaction. Conventionally, hydrophobicity of amino acids in a protein has been argued based on hydrophobicity scales determined for individual free amino acids, assuming that those scales are unaltered when amino acids are embedded in a protein. Here, we investigate how the hydrophobicity of constituent amino acids depends on the protein context, in particular, on the total charge and secondary structures of a protein. To this end, we compute and analyze the hydration free energy-free energy change upon hydration quantifying the hydrophobicity-of three short proteins based on the integral-equation theory of liquids. We find that the hydration free energy of charged amino acids is significantly affected by the protein total charge and exhibits contrasting behavior depending on the protein net charge being positive or negative. We also observe that amino acids in the central β-strand sandwiched by β-sheets display more enhanced hydrophobicity than free amino acids, whereas those in the α-helix do not clearly show such a tendency. Our results provide novel insights into the hydrophobicity of amino acids, and will be valuable for rationalizing and predicting the strength of water mediated interaction involved in the biological activity of proteins.