Modeling transport processes of small molecules through tunnels in proteins

Mgr. Němcová Němcová

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Studium transportních jevů v proteinech je důležitou součástí studia proteinů obecně. Schopnost ligandů projít proteinovým tunelem až k aktivnímu místu rozhoduje, zda bude protein s ligandem interagovat, což je důležité např. pro design léčiv či enzymové inženýrství. Sledování těchto procesů v laboratorních podmínkách je možné jenom pro úzkou skupinu proteinů. Proto je vhodné použít počítačové simulace, které umožní predikovat interakce mezi ligandem a proteinem. Současné výpočetní metody jsou buď příliš zjednodušující, nebo velmi náročné na výpočetní zdroje i přípravu a vyhodnocení dat. Nástroj CaverDock 1.0 umožňuje rychlou a relativně přesnou analýzu transportních procesů, avšak selhává v situacích, kdy hraje důležitou roli flexibilita proteinu, kterou CaverDock zanedbává. Kombinace dockingu s omezujícími podmínkami a minimalizace molekulovou dynamikou se jeví jako dobrý kompromis mezi náročností a přesností výpočtu. V této práci popisujeme návrh metodologie, která umožní kombinovat CaverDock 1.0 se silovým polem AMBERu. Z trajektorie, která je získána z CaverDocku vybereme pozici ligandu v nejužším místě tunelu. Ligand zde zafixujeme a provedeme relaxaci proteinu. Tím docílíme uvolnění zavřených oblastí, které se mohou objevit ve strukturách získaných ze strukturních metod. Při dalším průchodu CaverDocku použijeme už relaxovanou strukturu a průchod ligandu by měl mít nižší energii. Ukazuje se, že použití minimalizace zvyšuje přesnost CaverDocku a zvyšuje shodu s experimentálními výsledky. Správnost metodologie validujeme na LinB dehalogenasách, kde CaverDock 1.0. nesouhlasil s výsledky z molekulární dynamiky. Při použití nové metodologie jsme dosáhli shody s molekulovou dynamikou.

Abstract:

The study of transport processes in proteins is an important part of the study of proteins in general. The ability of ligands to pass through the protein tunnel to the active site determines whether the protein will interact with the ligand, which is important, for example, for drug design or enzyme engineering. Monitoring these processes in laboratory conditions is only possible for a limited group of proteins. Therefore, it is appropriate to use computer simulations to predict ligand-protein interactions. Current computational methods are either too simplistic or very demanding on computational resources as well as data preparation and evaluation. CaverDock 1.0 enables quick and relatively accurate analysis of transport processes but fails in situations where protein flexibility, which CaverDock neglects, plays an important role. The combination of constraint docking and minimization of molecular dynamics seems to be a good compromise between the complexity and accuracy of the calculation. In this work, we describe the design of a methodology that will allow us to combine CaverDock 1.0 with the AMBER force field. From the trajectory obtained from the CaverDock, we select the position of the ligand at the narrowest point of the tunnel. We fix the ligand here and relax the protein. This methodology will achieve the release of closed areas that may appear in structures obtained from structural methods. During the next pass of the CaverDock, we will use the already relaxed structure, and the passage of the ligand should have lower energy. The use of minimization has been shown to increase the accuracy of the CaverDock and increase consistency with experimental results. We validate the accuracy of the methodology on LinB dehalogenases, where CaverDock 1.0. disagreed with the results from molecular dynamics. Using the new methodology, we achieved agreement with molecular dynamics.

Keywords

CaverDock, Amber, molecular docking, molekulový docking, tunnel analysis, ligand transport, drug design, numerical optimization, restrained force field, flexible receptor

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 3. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 24. 5. 2022
• Reader: doc. RNDr. Karel Berka, Ph.D., doc. RNDr. Barbora Kozlíková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Computer systems, communication and security / Computer systems, communication and security