Expanding the Toolbox for Computational Analysis in Rational Drug Discovery: Using Biomolecular Solvation to Predict Thermodynamic, Kinetic and Structural Properties of Protein-Ligand Complexes

Most biomolecular interactions occur in aqueous environment. Therefore, one must consider the interactions between proteins and water molecules when developing a drug molecule against a target protein. The study of these interactions is challenging using experimental techniques alone, therefore comp...

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Main Author: Hüfner, Tobias
Contributors: Klebe, Gerhard (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
Pharmazeutische Chemie
Subjects:
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Table of Contents: Die meisten biomolekularen Interaktionen finden im wässrigen Medium statt. Daher ist es wichtig die Interaktionen zwischen Proteinen und Wassermolekülen in der Wirkstoff-Forschung zu berücksichtigen. Die Untersuchung dieser Interaktionen mittels experimenteller Methoden ist anspruchsvoll, daher werden häufig Computer-Simulationen verwendet um die molekularen Details von Protein-Wasser oder Ligand-Wasser-Interaktionen zu studieren. Im zweiten Kapitel der vorliegenden Doktorarbeit wird die Entwicklung, Parametrisierung und Erprobung eines Ansatzes vorgestellt, der zur Berechnung der Solvatations-Beiträge in Protein-Ligand Bindungsreaktionen verwendet werden kann. Der Ansatz verwendet eine umfassende Menge an Trajektorien aus Moleküldynamik-Simulationen in Kombination mit GIST Berechnungen um Modelle zu erhalten, mit welchen die relativen Beiträge zur Protein-Ligand Solvatations-Thermodynamik vorhergesagt werden können. Um den Ansatz zu validieren wurde das Model System Thrombin mit einem Satz von 53 Liganden mit bekannter Kristallstruktur und ITC Profilen untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass die Bindungs-Thermodynamik von insgesamt 186 Paaren von Liganden genau vorhergesagt werden kann. Die relative Freie Energie der Bindung für diese 186 Paare kann dabei schon alleinig aus der Desolvatation des freien Liganden ermittelt werden. Im Weiteren werden vollständige thermodynamische Profile für Protein-Ligand Bindungsreaktionen korrekt vorhergesagt. Im dritten Kapitel wird der zuvor vorgestellte Ansatz verwendet um eine Strategie zu entwickeln die es ermöglicht Wirkstoffe mit gewünschter Solvatations-Thermodynamik auszustatten. Für diesen Zweck werden die Thrombin-Liganden (gleiche Liganden Serie wie im vorrangegangenen Kapitel 2) in kleinere molekulare Bausteine zerlegt. Im nächsten Schritt wird die Solvatations-Thermodynamik eines jeden Bausteins im Liganden ebenso wie für den isolierten Baustein in wässriger Lösung berechnet. Dabei wurden sehr diverse Eigenschaften für die verschieden Bausteine gefunden, was deren Potential zum Entwurf von Liganden mit einer großen Bandbreite von Solvatations-Charakteristika ermöglicht. Ebenso wurden Fernstrukturierungseffekte von Wassermolekülen entdeckt. Diese Effekte konnten nur durch die Zerlegung der Liganden und der korrespondierenden GIST-Integrale in einzelne Bausteine ermöglicht werden. Die Fernstrukturierungseffekte treten im ungebundenen Liganden auf und beschreiben die verstärkte Strukturierung von Solvens-molekülen auf einer Baueinheit bedingt durch das Vorhandensein einer anderen Baueinheit auf einer entfernten Seite des Liganden. Im Weiteren wurde gezeigt, dass die Fluorierung von Baueinheiten zu erhöhten unvorteilhaften Desolvatationseigenschaften führt. Die Fluorierung führt daher zu einer reduzierten Bindungsaffinität. Die Forschungsarbeiten aus Kapitel 2 und 3 wurden mit Hilfe des Computerprograms Gips durchgeführt, welches im Zuge dieser Doktorarbeit entwickelt wurde. In Kapitel 4 wird der Mechanismus und die Zeitskala der Desolvatation für eine Protein-Ligand Dissoziationsreaktion für die von Trypsin und Thrombin im Komplex mit Benzamidin und N amidinopiperidin untersucht. Die Untersuchung wird durchgeführt mittels „Umbrella Sampling“ und LoCorA Rechnungen. LoCorA ist eine Methode zur Analyse von Besetzungszeiten von Wassermolekülen auf der Oberfläche von Aminosäuren. Damit wurde herausgefunden, dass Wassermoleküle ungefähr 1.3 ns in der apo Bindetasche von Thrombin verweilen, wohingegen sie in der apo Bindetasche von Trypsin um eine Größenordnung kürzer verweilen (0.3 ns). Dieser Unterschied wird mit Solvens-Kanälen im Falle von Thrombin, und mit einem Solvens-Reservoir im Falle von Trypsin erklärt. Die Solvens-Kanäle bedingen, dass Wassermoleküle die gleichen Besetzungszeiten für beide Komplexe zeigen im Falle von Thrombin. Durch das Fehlen dieser Kanäle in Trypsin gibt es hier jedoch unterschiedliche Besetzungszeiten für die beiden Komplexe. Der LoCorA Ansatz ist implementiert in das Computerprogram LoCorA (gleicher Name wie der Ansatz selbst), welches im Zuge dieser Doktorarbeit entwickelt wurde. Weitere Studien die im Zuge dieser Doktorarbeit durchgeführt und mit experimentellen Untersuchungen kombiniert wurden, sind in Kapitel 5 dieser Dissertation zu finden. Zu jeder dieser Studien ist eine separate Zusammenfassung und Erläuterung bezüglich der Eigenanteile vorangestellt zu finden.