Symulacje procesów wiązania ligandów w białkach - Sarkar, Dheeraj Kumar (My University, 2024)
Procesy biologiczne są wewnętrznie regulowane przez małe cząsteczki i ich interakcje, szczególnie w postaci kompleksów białko-ligand. Transport ligandów w białkach odgrywa kluczową rolę w wielu procesach biologicznych, w tym w transdukcji sygnału, katalizie enzymów oraz transporcie składników odżywczych i metabolitów. Dlatego zrozumienie procesów wiązania ligandu ma ogromne znaczenie dla opartego na strukturze projektowania leków i inżynierii ulepszonych katalizatorów enzymatycznych. W szczególności znaczna część enzymów ma swoje aktywne miejsce zakopane w głębokich zagłębieniach, a wyzwania polegają na udanym uchwyceniu procesów wiązania i niewiążenia ligandu, ponieważ dostęp do tych wnęk przez małe cząsteczki jest ogólnie ograniczony przez tunele białkowe i bramy. Zmiany w tunelach białkowych często mogą prowadzić do zmiany aktywności, selektywności, rozwiązłości i stabilności. Aby zaradzić tym niedociągnięciom, w moim doktoracie. w badaniach przyczyniłem się do zbadania właściwości termicznych i kinetycznych poprzez ocenę wykorzystania małych cząsteczek przez tunele transportowe w białkach z zakopanymi aktywnymi miejscami. Zastosowano metody zwiększonej dynamiki molekularnej (MD), aby skutecznie ocenić termodynamikę i kinetykę procesów wiązania ligandu, jednocześnie rozumiejąc leżące u podstaw mechanizmy molekularne. Teza składa się z trzech rękopisów. Pierwsza część pracy koncentruje się na opracowaniu metody poprzez zaprojektowanie opartych na wiedzy schematów siewu w celu skutecznego badania procesów interakcji ligandu w dehalogenazie haloalkanu. Metoda wykorzystuje adaptacyjne symulacje próbkowania do wysokoprzepustowego próbkowania zjawisk wiążących, kierowany przez modele stanu Markowa (MSM) w celu generowania znaczących modeli kinetycznych opisujących stany związane z białkami-ligandem i niezwiązane stany długowieczne oraz ich procesy konwersji. W drugiej części rozprawy masowe wykorzystanie tuneli molekularnych w celu ułatwienia transportu ligandu zostało ocenione i określone ilościowo, aby uzyskać bardziej szczegółowy wgląd w procesy transportu ligandu, pokazując zastosowanie opracowanego przez siebie narzędzia programowego. Wreszcie trzecia część pracy dotyczy dostępności aktywnego miejsca cytochromu c dla zatłoczonych hydrotropów oraz roli ich wiązania ze stabilnością termiczną tego enzymu. Proces badano w dwóch temperaturach obejmujących trzy różne kompozycje hydrotropów, stosując adaptacyjne symulacje próbkowania prowadzone przez modele Markowa. Ujawniono kilka spostrzeżeń na temat roli rozpuszczalników hydrotropowych w zapewnianiu stabilności funkcjonalnym częściom cytochromu c i regulacji dynamiki stanów otwartych i zamkniętych. Ogólnie rzecz biorąc, teza reprezentuje zastosowanie, ocenę, oraz opracowanie wysokoprzepustowego protokołu symulacje wykorzystującego kompleksy białko-ligand do badania procesów wiązania ligandu i jego roli w lepszym zrozumieniu sprzężenia między dynamiką a funkcją enzymów. Biological processes are intrinsically regulated by small molecules and their interactions, particularly in the form of protein-ligand complexes. The transport of ligands in proteins plays a crucial role in many biological processes, including signal transduction, enzyme catalysis and the transport of nutrients and metabolites. Therefore, understanding ligand binding processes is of great importance for the structure-based design of drugs and the engineering of improved enzyme catalysts. Notably, a significant fraction of enzymes have their active site buried in deep cavities, and the challenges lie in successfully capturing the ligand binding and unbinding processes, as access to those cavities by small molecules is generally restricted by protein tunnels and gates. Changes in protein tunnels can often lead to altered activity, selectivity, promiscuity, and stability. To address these shortcomings, in my Ph.D. research, I contributed to investigating thermal and kinetic properties by assessing the utilization of small molecules via transport tunnels in proteins with buried active sites. Enhanced molecular dynamics (MD) methods were applied to effectively assess the thermodynamics and kinetics of ligand binding processes while understanding the underlying molecular mechanisms. The thesis consists of three manuscripts. The first part of the thesis focuses on developing a method by designing knowledge-based seeding schemes to study ligand interaction processes in haloalkane dehalogenase effectively. The method employs adaptive sampling simulations for high-throughput sampling of binding phenomena, guided by Markov State Models (MSMs) to generate meaningful kinetic models describing protein-ligand bound and unbound long-lived states and their interconversion processes. In the second part of the thesis, the massive use of molecular tunnels to facilitate ligand transport was evaluated and quantified to gain more detailed insights into ligand transport processes, showcasing the applicability of the in-house developed software tool. Finally, the third part of the thesis deals with the accessibility of the Cytochrome c active site for crowded hydrotropes and the role of their binding on the thermal stability of this enzyme. The process was studied at two temperatures involving three different compositions of the hydrotropes using adaptive sampling simulations guided by Markov models. Several insights were revealed into the role of hydrotropic solvents in providing stability to functional parts of Cytochrome c and regulating the dynamics of the open and closed states. Overall, this thesis represents the application, evaluation, and development of a high-throughput simulations protocol using protein-ligand complexes to study ligand binding processes and its role in improving the understanding of the coupling between the dynamics and function of enzymes.
Simulations of ligand binding processes in proteins
Wydział Biologii
Keywords: adaptacyjne wysokowydajne symulacje; procesy wiązania ligandów; modele stanów Markowa; enzymy; tunele; adaptive high-throughput simulations; ligand binding processes; Markov state models; enzymes; tunnels