Revealing time bunching effect in single-molecule enzyme conformational dynamics

文献情報

出版日 2011-03-15
DOI 10.1039/C0CP02860F
インパクトファクター 3.676
著者

H. Peter Lu


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要旨

In this perspective, we focus our discussion on how the single-molecule spectroscopy and statistical analysis are able to reveal enzyme hidden properties, taking the study of T4 lysozyme as an example. Protein conformational fluctuations and dynamics play a crucial role in biomolecular functions, such as in enzymatic reactions. Single-molecule spectroscopy is a powerful approach to analyze protein conformational dynamics under physiological conditions, providing dynamic perspectives on a molecular-level understanding of protein structure–function mechanisms. Using single-molecule fluorescence spectroscopy, we have probed T4 lysozyme conformational motions under the hydrolysis reaction of a polysaccharide of E. coli B cell walls by monitoring the fluorescence resonant energy transfer (FRET) between a donor–acceptor probe pair tethered to T4 lysozyme domains involving open–close hinge-bending motions. Based on the single-molecule spectroscopic results, molecular dynamics simulation, a random walk model analysis, and a novel 2D statistical correlation analysis, we have revealed a time bunching effect in protein conformational motion dynamics that is critical to enzymatic functions. Bunching effect implies that conformational motion times tend to bunch in a finite and narrow time window. We show that convoluted multiple Poisson rate processes give rise to the bunching effect in the enzymatic reaction dynamics. Evidently, the bunching effect is likely common in protein conformational dynamics involving in conformation-gated protein functions. In this perspective, we will also discuss a new approach of 2D regional correlation analysis capable of analyzing fluctuation dynamics of complex multiple correlated and anti-correlated fluctuations under a non-correlated noise background. Using this new method, we are able to map out any defined segments along the fluctuation trajectories and determine whether they are correlated, anti-correlated, or non-correlated; after which, a cross correlation analysis can be applied for each specific segment to obtain a detailed fluctuation dynamics analysis.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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