Mechanical Properties of Icosahedral Viral Shells. A Molecular Dynamics Study
Die mechanischen Eigenschaften ikosaedrischer Virushüllen. Eine Molekulardynamik Studie
by Mareike Zink
Date of Examination:2009-03-16
Date of issue:2009-04-03
Advisor:Prof. Dr. Helmut Grubmüller
Referee:Prof. Dr. Reiner Kirchheim
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2700
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The mechanical properties of viral shells are crucial for viral assembly and infection. To study their distribution and heterogeneity on the viral surface, we have carried out atomistic force-probe molecular dynamics simulations of the complete icosahedral shells of Southern Bean Mosaic Virus, a prototypical T=3 virus and Human Rhinovirus 16, in explicit solvent. The simulation systems comprised over 4,500,000 atoms. To facilitate direct comparison with atomic force microscopy measurements, a Lennard-Jones sphere was used as a model of the AFM tip and pushed with different velocities towards the capsid proteins at 19 different positions on the viral surfaces. A detailed picture of the spatial distribution of elastic constants and yielding forces was obtained which can explain corresponding heterogeneities observed in previous AFM experiments. Our simulations reveal three different deformation regimes, a pre-linear regime of outer surface atoms rearrangements, a linear regime of elastic capsid deformation, and a rearrangement regime which describes irreversible structural changes and the transition from elastic to plastic deformation. For both, yielding forces and elastic constants, a logarithmic velocity-dependence was seen over nearly two decades, the explanation of which requires including non-equilibrium effects within the established theory of enforced barrier crossing.
Keywords: Viral Shell; elastic constants; mechanical properties; molecular dynamics; Virushülle; Elastizitätskonstante; mechanische Eigenschaften; Molekulardynamik
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Die mechanischen Eigenschaften von Virushüllen sind entscheidende Faktoren bei dem viralen Spontanzusammenbau und der Zellinfektion. Um die Verteilung der mechanischen Eigenschaften an der Virusoberfläche zu untersuchen, wurden atomistische Force-Probe Molekulardynamik Simulationen der kompletten ikosaedrischen Hülle von Southern Bean Mosaic Virus, einem prototypischen T=3 Virus, im expliziten Wasser durchgeführt, sowie von Human Rhinovirus 16. Die Simulationssysteme bestanden aus mehr als 4.500.000 Atomen. Im Vergleich zu Raster-Kraft-Mikroskopie Experimenten diente eine Lennard-Jones Kugel als Modell für eine AFM Spitze, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten gegen 19 verschiedene Positionen auf den Virusoberflächen gedrückt wurde. Ein detailliertes Bild der räumlichen Verteilung sowohl von Elastizitätskonstanten, als auch von Maximalkräften konnte ermittelt werden, woraus wiederum beobachtete Heterogenitäten der mechanischen Eigenschaften erklären werden können, wie sie zuvor in AFM Experimenten gefunden wurden. Unsere Simulationen wiesen drei verschiedene Deformationsregimes auf: ein vor-lineares Regime, charakterisiert durch Umorientierung der äußersten Kapsidatome, ein lineares Regime für elastische Deformation der Virushülle und ein Neuorientierungs-Regime, das den Übergang von elastischer zu plastischer Deformation beschreibt. Sowohl Elastizitätskonstanten als auch Maximalkräfte zeigten eine logarithmische Abhängigkeit von der Deformationsgeschwindigkeit, zu deren Erklärung eine Erweiterung der etablierten Theorie zur erzwungenen Energie-Barrierenüberwindung notwendig ist.