tex/src/sawsim/introduction.tex

   1 \section{Introduction}
   2 \label{sec:sawsim:introduction}
   3
   4 % AFM unfolding analysis, what we'll do.
   5 Much theoretical and computational work has been done in order to
   6 extract information about the structural, kinetic, and energetic
   7 properties of the protein molecules from the experimental data of
   8 force-induced protein unfolding measurements.  Steered molecular
   9 dynamics simulations\citep{lu98}, as well as calculations and
  10 simulations using lattice\citep{lu99} and off-lattice
  11 models\citep{klimov00,li01}, have provided insights into structural
  12 and energetic changes during force-induced protein unfolding.
  13 However, these simulations often involve time scales that are orders
  14 of magnitude smaller than those of the experiments, and the parameters
  15 used in the calculations are often neither experimentally controllable
  16 nor measurable (TODO: example parameters of each type).  As a result,
  17 a Monte Carlo simulation approach based on a simple two-state kinetic
  18 model for the protein is usually used to analyze data from mechanical
  19 unfolding experiments.  A comparison of the force curves measured
  20 experimentally and those generated from simulations can yield the
  21 unfolding rate constant of the protein in the absence of force as well
  22 as the distance from the native state to the transition state along
  23 the pulling direction.  The Monte Carlo simulation method has been
  24 used since the first report of mechanical unfolding experiments using
  25 the AFM%
  26 \citep{rief97b,rief97a,rief98,carrion-vazquez99b,best02,zinober02,jollymore09},
  27 but these previous implementations are neither fully described nor
  28 publicly available.
  29
  30 To fill this gap, I developed the \sawsim\ simulation
  31 program\citep{king10}.  In this chapter, I provide a detailed
  32 description of the simulation procedure, including the theories,
  33 approximations, and assumptions involved.  I also explain the
  34 procedure for extracting kinetic properties of the protein from
  35 experimental data and introduce a quantitative measure of fit quality
  36 between simulation and experimental results.  In addition, the effects
  37 of various experimental parameters on force curve appearance are
  38 demonstrated, and the errors associated with different methods of data
  39 pooling are discussed.  These results should be useful in future
  40 experimental design, artifact identification, and data analysis for
  41 single molecule mechanical unfolding experiments.