Structure Determination of HIV-1 Tat/Fluid Phase Membranes and DMPC Ripple Phase Using X-Ray Scattering

این پایان نامه در فیزیک بیولوژیکی دارای دو جزء است، که استفاده از تکنیک های پراکندگی پرتو ایکس را برای مطالعه ساختار دو سیستم غشای لیپیدی مختلف انباشته شده توصیف می کند.

بخش اول بر تعامل متمرکز است. بین یک پپتید 11 مری کوتاه، Tat، که بخشی از پروتئین Tat در ویروس HIV-1 است. اگرچه پروتئین Tat دارای بار مثبت بالایی است، اما نشان داده شده است که پروتئین Tat به راحتی از طریق دو لایه لیپید هیدروکربنی جابجا می شود، بدون اینکه به انرژی سلول نیاز داشته باشد، که برخلاف انرژی خود متولد شده آن است. در این کار مکان Tat در ناحیه سرگروه با استفاده از روش پراکندگی پرتو ایکس ترکیبی و دینامیک مولکولی نشان داده شد. نازک شدن دولایه و همچنین نرم شدن تقلیدهای مختلف غشاء به دلیل Tat مشاهده شد. به این نتیجه رسیدیم که مکان گروه سر تات، که باعث افزایش سطح/لیپید می‌شود، و نرم شدن دولایه آن احتمالاً مانع انرژی برای جابه‌جایی غیرفعال می‌شود.

بخش دوم، بررسی دقیق یک فاز معمایی در نمودار فاز است. لیپید دیمیریستوئیل فسفاتیدیل کولین (DMPC). فاز موج دار بسیاری از محققان در فیزیک ماده متراکم و شیمی فیزیک را به عنوان نمونه ای از فازهای مدوله شده به صورت دوره ای مجذوب کرده است، با بسیاری از مقالات نظری و شبیه سازی منتشر شده است. با وجود مطالعات سیستماتیک در طول سه دهه گذشته، جزئیات مولکولی ساختار هنوز وجود نداشت. با به دست آوردن بالاترین وضوح داده های اشعه ایکس تا کنون، این کار ماهیت پیچیده بسته بندی زنجیره را نشان می دهد، و همچنین تأیید می کند که طرف اصلی ضخیم تر از سمت فرعی ساختار موج دار دندان اره است. مدل جدید نشان می‌دهد که زنجیره‌های بازوی اصلی نسبت به دولایه عادی کج می‌شوند و زنجیره‌های بازوی مینور کمی نامنظم‌تر از زنجیره‌های فاز ژل تمام ترانس هستند، یعنی زنجیره‌های بازوی مینور بیشتر هستند. مایع مانند این کار دارای بالاترین وضوح ساختار پرتو ایکس فاز ریپل تا به امروز است.

This Thesis in biological physics has two components, describing the use of X-ray scattering techniques to study the structure of two different stacked lipid membrane systems.

The first part focuses on the interaction between a short 11-mer peptide, Tat, which is part of the Tat protein in the HIV-1 virus. Although highly positively charged, the Tat protein has been shown to translocate through hydrocarbon lipid bilayers easily, without requiring the cell’s energy, which is counter to its Born self-energy. In this work Tat’s location in the headgroup region was demonstrated using a combined X-ray scattering and molecular dynamics approach. Bilayer thinning was observed as well as softening of different membrane mimics due to Tat. It was concluded that Tat’s headgroup location, which increases the area/lipid, and its bilayer softening likely reduce the energy barrier for passive translocation.

The second part is a rigorous investigation of an enigmatic phase in the phase diagram of the lipid dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC). The ripple phase has fascinated many researchers in condensed matter physics and physical chemistry as an example of periodically modulated phases, with many theoretical and simulation papers published. Despite systematic studies over the past three decades, molecular details of the structure were still lacking. By obtaining the highest resolution X-ray data so far, this work revealed the complex nature of the chain packing, as well as confirming that the major side is thicker than the minor side of the saw-tooth ripple structure. The new model shows that the chains in the major arm are tilted with respect to the bilayer normal and that the chains in the minor arm are slightly more disordered than all-trans gel-phase chains, i.e., the chains in the minor arm are more fluid-like. This work provides the highest resolution X-ray structure of the ripple phase to-date.