Computer simulation study of selectivity and conductance of ion channels  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
75132
Type K
Principal investigator Boda, Dezső
Title in Hungarian Ioncsatornák szelektivitásának és vezetőképességének számítógépes szimulációs vizsgálata
Title in English Computer simulation study of selectivity and conductance of ion channels
Keywords in Hungarian ioncsatorna, szelektivitás, szimuláció
Keywords in English ion channel, selectivity, simulation
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)90 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel Chemistry 1
Department or equivalent TTK Komplex Molekuláris Rendszerek (University of Pannonia)
Participants Kristóf, Tamás
Valiskó, Mónika
Starting date 2009-01-01
Closing date 2013-12-31
Funding (in million HUF) 11.642
FTE (full time equivalent) 2.89
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás célja (elsősorban nátrium- és kalciumszelektív) ioncsatornák szelektivitási mechanizmusainak vizsgálata a különböző ionokra vonatkozó permeabilitási tulajdonságaik alapján. A jelenleg használt egyensúlyi nagykanonikus Monte Carlo (GCMC) szimulációkon túllépve dinamikai szimulációs módszereket fogunk alkalmazni, hogy a csatornán átfolyó áramot közvetlenül szimuláljuk. (1) Egy módszertani fejlesztés keretein belül Brown dinamikai (BD) szimulációs programot írunk az ionok csatornán belüli mozgásának számítására az egyensúlyi tömbfázisok GCMC szimulációihoz csatolva. Ezt a módszert sikeres redukált csatornamodelljeink (implicit víz és minimális struktúrális információk) vizsgálatára alkalmazzuk. (2) Ezzel párhuzamosan egy modellfejlesztés keretein belül explicit vízmodelleket és ioncsatornák atomi modelljeit fogjuk vizsgálni molekuláris dinamikai (MD) szimulációkkal. A két modellezési és metodikai szint egy szinergetikus csatolását javasoljuk: BD szimulációval a kísérletekkel összevethető eredményeket produkálunk, míg MD szimulációval mikroszkopikus folyamatokat szimulálunk és betekintést nyerünk ezen folyamatok fizikai alapjaiba. Az egyik szinten kapott eredményeket beépítjük a másik szinten alkalmazott modelljeinkbe. A csatornák szerkezete és funkciója közötti kapcsolat feltárása ezen kis gépezetek viselkedésének jobb megértéséhez vezet. Új szimulációs eljárásaink hozzájárulhatnak a bio- és nanotechnológiai területek fejlődéséhez, mivel a szimulációkból nyert tudás új kísérletek tervezéséhez vezethet.
Summary
In this proposal our goal is to study the selectivity mechanisms of ion channels (primarily, calcium and sodium selective channels) via their permeation properties for various ions. We will step beyond our recent studies based on equilibrium Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations and we will use dynamical simulation methods to simulate current directly. (1) A methodological development will be performed by writing a Brownian Dynamics (BD) code to compute motions of ions in the ion channel and coupling it to GCMC simulations of the equilibrium baths. This method will be used for our successful reduced channel models using implicit water and minimal structural information on the channel. (2) In parallel, in a model development process, explicit water models and all-atom models of ion channels will be considered using Molecular Dynamics (MD) simulations. We propose a synergetic coupling of the two levels of modeling and of the two methods: BD will be used to obtain results comparable to experiments, while MD will be used to study microscopic events to gain physical insights. Information obtained from simulations on one level will be built into the model on the other level. We will study the relationship between structure and function of channels leading to better understanding of the behavior of these little machines. Our novel simulation methodologies will contribute to the fields of bioengineering and nanotechnology by providing insights for experiments.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A pályázat alapvető célja membránokon keresztül folyó szelektív anyagtranszport számítógépes szimulációs vizsgálata volt. Ezen belül elsősorban a biológiai membránokban elhelyezkedő ioncsatornákon keresztül folyó szelektív iontranszportra illetve szelektív ionadszorpcióra koncentráltunk, másodsorban pedig az anyagásványokban lejátszódó szelektív adszorpciós, interkalációs jelenségekre. Vizsgálataink mélyebb célja a szelektivitási és vezetési tulajdonságok mögött álló molekuláris mechanizmusok feltérképezése és megértése volt. Ezen célok eléréséhez a kutatócsoport hagyományainak megfelelően számos módszertani fejlesztést hajtottunk végre, ha olyan jelenségekbe ütköztünk, amiknek szimulációs vizsgálata meglévő eszközökkel nem vagy csak nehézkesen volt lehetséges. Módszertani fejlesztéseink közül kiemelendő a nagykanonikus Monte Carlo módszer használata lokális egyensúly esetén lehetővé téve egy nem-egyensúlyi rendszer vizsgálatát. Eredményeink közül kiemelendő a az elektrolitok aktivitási együtthatójának koncentrációfüggésére javasolt modellünk, a kaolinitban való kétrétegű interkaláció lehetőségének kimutatása, és a szolvatációnak a kalciumcsatorna szelektivitásában játszott szerepére vonatkozó tanulmányunk.
Results in English
The basic goal of the proposal was the computer simulation study of the selective transport of particles through membranes. In particular, we were interested in the selective ion transport and ion adsorption in biological ion channels situated in the cell membrane. Furthermore, we considered selective adsorption and intercalation phenomena in silicate minerals. A deeper goal of our investigations was to describe and understand the molecular mechanisms behind the selectivity and conductance properties. To reach these goals, we performed several methodological developments according to the traditions of the research group. This happened when we encountered phenomena that were hard to study with existing simulation methods. We highlight the development of the grand canonical Monte Carlo technique to be used in non-equilibrium situations in a subsystem in local equilibrium. Furthermore, we highlight the following results: our model to explain the non-monotonic concentration dependence of the activity coefficient of electrolytes, pointing out the possibility of two-layer intercalation in kaolinite, and our study dealing with the effect of solvation on the selectivity in the calcium channel.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=75132
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zoltán Ható, Éva Makó, Tamás Kristóf: Molecular Simulation Study of Kaolinite Intercalation, M. Pilotelli and G. P. Beretta (Eds.): Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Printed in Brescia, Italy, June 2013, ISBN: 978-88-892, 2013
Zoltán Ható, Dirk Gillespie, Tamás Kristóf, Dezső Boda: Computer Simulation of a Rectifying Ion Channel, M. Pilotelli and G. P. Beretta (Eds.): Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Printed in Brescia, Italy, June 2013, ISBN: 978-88-892, 2013
Zoltán Ható, Éva Makó, Tamás Kristóf: Water-mediated Potassium Acetate Intercalation in Kaolinite as Revealed by Molecular Simulation, Journal of Molecular Modeling, közlésre elfogadva, 2014
Attila Malasics, Dirk Gillespie, Wolfgang Nonner, Douglas Henderson, Bob Eisenberg, Dezső Boda: Protein structure and ionic selectivity in calcium channels: Selectivity filter size, not shape, matters, Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1788, 2471–2480, 2009
Éva Csányi,Tamás Kristóf, György Lendvay: Potential Model Development Using Quantum Chemical Information for Molecular Simulation of Adsorption Equilibria of Water-Methanol (Ethanol) Mixtures in Zeolite NaA-4, J. Phys. Chem. C, 113, 12225–12235, 2009
Gábor Rutkai, Éva Makó, Tamás Kristóf: Intercalation of urea in kaolinite: a comparison between simulation and experiment, EMLG/JMLG Annual Meeting “Intermolecular Interactions and Liquid Structure”. Salzburg, Austria, September 6 – 10, 2009
Julianna Vincze, Mónika Valiskó, Dezső Boda: The nonmonotonic concentration dependence of the mean activity coefficient of electrolytes is a result of a balance between solvation and ion-ion correlations, J. Chem. Phys. 133, 154507, 2010
Gábor Rutkai, Dezső Boda, Tamás Kristóf: Relating Binding Affinity to Dynamical Selectivity from Dynamic Monte Carlo Simulations of a Model Calcium Channel, J. Phys. Chem. Letters 1, 2179-2184, 2010
Tímea Nagy, Mónika Valiskó, Douglas Henderson, Dezső Boda: The Behavior of 2:1 and 3:1 Electrolytes at Polarizable Interfaces, J. Chem. Eng. Data, 56, 1316-1322, 2011
Attila Malasics, Dezső Boda: An efficient iterative grand canonical Monte Carlo algorithm to determine individual ionic chemical potentials in electrolytes, J. Chem. Phys. 132, 244103, 2010
Attila Malasics, Dezső Boda, Mónika Valiskó, Douglas Henderson, Dirk Gillespie: Simulations of calcium channel block by trivalent cations: Gd3+ competes with permeant ions for the selectivity filter, Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1798, 2013–2021, 2010
Douglas Henderson, Dezső Boda: Mean spherical approximation for the Yukawa fluid radial distribution function, Mol. Phys., 109, 1009-10013, 2011
Janhavi Giri, James E. Fonseca, Dezső Boda, Douglas Henderson, Bob Eisenberg: Self-organized models of selectivity in calcium channels, Phys. Biol., 8, 026004, 2011
Éva Csányi, Zoltán Ható, Tamás Kristóf: Molecular simulation of water removal from simple gases with zeolite NaA, J. Mol. Model., 18, 2349-2356, 2012
Dezső Boda, Dirk Gillespie, Bob Eisenberg, Douglas Henderson: How to drive an ion through a sharp dielectric boundary in a computer simulation?, 8th Liblice Conference on the Statistical Mechanics of Liquids, Brno, Czech Republic, June 13-18, 2010
Gábor Rutkai, Tamás Kristóf: Dynamic Monte Carlo simulation in mixtures, J. Chem. Phys., 132, 104107, 2010
Éva Makó, Gábor Rutkai, Tamás Kristóf: Simulation-assisted evidence for the existence of two stable kaolinite/potassium acetate intercalate complexes, J. Coll. Int. Sci. 349, 442-445, 2010
Julianna Vincze, Mónika Valiskó, Dezső Boda: Response to "Comment on 'The nonmonotonic concentration dependence of the mean activity coefficient of electrolytes ... ' [J. Chem. Phys. 134, 157101 (2011)]", J. Chem. Phys., 134, 157102, 2011
Dezső Boda, Douglas Henderson, Bob Eisenberg, Dirk Gillespie: A method for treating the passage of a charged hard sphere ion as it passes through a sharp dielectric boundary, J. Chem. Phys., 135, 064105, 2011
Tímea Nagy, Douglas Henderson, Dezső Boda: Simulation of an electrical double layer model with a low dielectric layer between the electrode and the electrolyte, J. Phys. Chem. B, 115, 11409-11419, 2011
Éva Csányi, Dezső Boda, Dirk Gillespie, Tamás Kristóf: Current and selectivity in a model sodium channel under physiological conditions: Dynamic Monte Carlo simulations, Biochim. et Biophys. Acta - Biomembranes, 1818, 592600, 2012
Dezső Boda, Dirk Gillespie: Steady state electrodiffusion from the Nernst-Planck equation coupled to Local Equilibrium Monte Carlo simulations, J. Chem. Theory Comp., 8, 824-829, 2012
Dezső Boda, Janhavi Giri, Douglas Henderson, Bob Eisenberg, Dirk Gillespie: Analyzing the components of the free energy landscape in a calcium selective ion channel by Widoms particle insertion method, J. Chem. Phys., 134, 055102, 2011
Éva Csányi, Tamás Kristóf: Molecular Simulation of Water Removal from Simple Gases with Zeolite NaA, 16th International Symposium on Intercalation Compounds, Sec, Czech Republic, 22-26 May, 2011
Dezső Boda, Dirk Gillespie: Simulation of steady state transport in globally non-equilibrium systems: the Local Equilibrium Grand Canonical Monte Carlo (LE-GCMC) method coupled to the Nernst-Planck, Workshop "BioSensors and Nano-structures", Wolfgang Pauli Institute, Vienna, July 8 2011, 2011
Dezső Boda, Dirk Gillespie: A Lokális Egyensúlyi Nagykanonikus Monte Carlo (LE-GCMC) módszer stacionárius diffúzió tanulmányozására, Szabadenergia Workshop, 2011. október 21-22. Mátrafüred, Akadémiai Üdülő, 2011
Róbert Kovács, Mónika, Valiskó, Dezső Boda: Monte Carlo simulation of the electrical properties of electrolytes adsorbed in charged slit-systems, Cond. Matt. Phys., 15, 23803, 2012
Zoltán Ható, Dezső Boda, Tamás Kristóf: Simulation of Steady-State Diusion: Driving Force Ensured by Dual Control Volumes or Local Equilibrium Monte Carlo, J. Chem. Phys., 137, 054109, 2012
Róbert Kovács, Tamás Kristóf, Dezső Boda: Selectivity and conduction of a model calcium channel studied by the NP+LEMC method, Molecular association in fluid phases and at fluid interfaces, EMLG/JMLG Annual Meeting 2012, Eger, Hungary, 5-9 September, 2012
Zoltán Ható, Dezső Boda, Tamás Kristóf: Direct simulation of steady-state diffusion by classical Monte Carlo methodologies, Molecular association in fluid phases and at fluid interfaces, EMLG/JMLG Annual Meeting 2012, Eger, Hungary, 5-9 September, 2012
Dezső Boda, Tamás Kristóf, Róbert Kovács, Zoltán Ható, Dirk Gillespie: Selectivity and conduction of a model calcium channel studied by the NP+LEMC method, Molecular association in fluid phases and at fluid interfaces, EMLG/JMLG Annual Meeting 2012, Eger, Hungary, 5-9 September, 2012
Róbert Kovács, Mónika Valiskó, Dezső Boda: Monte Carlo simulation of the electrical properties of electrolytes adsorbed in charged slit-systems, Condens. Matt. Phys., 15, 23803, 2012
Zoltán Ható, Dezső Boda, Tamás Kristóf: Simulation of Steady-State Diffusion: Driving Force Ensured by Dual Control Volumes or Local Equilibrium Monte Carlo, J. Chem. Phys., 137, 054109, 2012
C. Berti, S. Furini, D. Gillespie, D. Boda, R. S. Eisenberg, E. Sangiorgi, C. Fiegna: A 3-D Brownian Dynamics simulator for the study of ion permeation through membrane pores, J. Chem. Theory Comp., submitted, 2014
D. Boda, É. Csányi, D. Gillespie, T. Kristóf: Dynamic Monte Carlo simulation of coupled transport through a narrow multiply-occupied pore, J. Phys. Chem. C, 118(1):700-707, 2014
D. Boda, R. Kovács, D. Gillespie, T. Kristóf: Selective transport through a model calcium channel studied by Local Equilibrium Monte Carlo simulations coupled to the Nernst-Planck equation, J. Mol. Liq., 189:100, 2014
D. Boda, D. Henderson, D. Gillespie: The role of solvation in the binding selectivity of the L-type calcium channel, J. Chem. Phys., 139(5):055103, 2013



Back »