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Titel:Expanding the Toolbox for Computational Analysis in Rational Drug Discovery: Using Biomolecular Solvation to Predict Thermodynamic, Kinetic and Structural Properties of Protein-Ligand Complexes
Autor:Hüfner, Tobias
Weitere Beteiligte: Klebe, Gerhard (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2019
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0494
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0494
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-04947
DDC: Chemie
Titel(trans.):Erweiterung der Toolbox für die Computergestützte Analyse in der rationalen Wirkstoffentwicklung: Verwendung von Biomolekularer Solvatisierung zur Vorhersage thermodynamischer, kinetischer und struktureller Eigenschaften von Protein-Liganden-Komplexen
Publikationsdatum:2019-09-11
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Dokument

Schlagwörter:
Thermodynamics, Medizinische Chemie, Simulation, Proteine, Computerchemie, Wasser, Arzneimitteldesign

Summary:
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 computer simulations are commonly used to study the molecular details of protein-water or ligand-water interactions. In the first study presented in this doctoral dissertation (Chapter 2), the development, parameterization and testing of an approach is presented that can be used to calculate the solvation contribution in protein-ligand binding thermodynamics. The approach uses an extensive amount of molecular dynamics trajectories in conjunction with GIST calculations in order to obtain models that can predict relative protein-ligand solvation thermodynamics. In order to validate the approach, the model system thrombin is investigated using a set of 53 ligands with experimentally characterized protein-ligand structures and ITC profiles. We found that the binding thermodynamics of 186 congeneric pairs of ligands can be accurately described using our solvation-based models. The relative free energy of binding for these 186 pairs can be calculated from the desolvation free energy of the ligand molecules alone. Furthermore, complete thermodynamic profiles for protein-ligand binding reactions (i.e. free energy, enthalpy and entropy of binding) are accurately predicted by incorporating GIST solvent data from the unbound ligand as well as the protein-ligand complex. In Chapter 3, the aforementioned approach is applied to develop a strategy that enables to equip drug molecules with a desired set of solvation thermodynamics properties. For this purpose, the thrombin ligands (same ligand series as in previous Chapter 2) and the corresponding GIST integrals are decomposed into smaller building block molecules. In the next step, the solvation thermodynamics for the building blocks in the ligand molecule as well as the solvation thermodynamics for the isolated building block in aqueous solution are calculated. We found greatly varying solvation thermodynamics for the different building blocks, demonstrating their potential to design ligands with a wide range of solvation characteristics. Also, we found that the building block decomposition of ligand molecules and the corresponding GIST integrals can be readily used to understand remote solvent structuring effects. These effects occur in the unbound ligand molecule and describe the enhanced solvent structuring on a building block in the ligand molecule due to the presence of another building block at a distal site of the ligand. Furthermore, we demonstrated that the fluorination of building blocks leads to an increased unfavorable desolvation free energy and thus disfavors binding for the presented dataset. The research presented in Chapter 2 and Chapter 3 was accomplished with the computer program Gips that was developed as part of this doctoral dissertation. In the following Chapter 4, the mechanism and time scale of desolvation is being analyzed for the protein-ligand dissociation reaction of trypsin and thrombin in complex with benzamidine and N amidinopiperidine. The analysis is carried out using umbrella sampling free energy calculations and LoCorA calculations. The LoCorA approach is a method for the analysis of residence times of water molecules on the surface of amino acids. It was found that water molecules reside approximately 1.3 ns in the binding pocket of thrombin, whereas in trypsin they are residing one order of magnitude shorter (0.3 ns). This difference is explained with special solvent channels that connect the interior of the binding pocket to bulk solvent environment. The solvent channels are present in thrombin but not in trypsin. Furthermore, the selectivity profiles of benzamidine and N amidinopiperidine are related to a solvent-mediated free energy barrier that is present in thrombin but not trypsin. Also due to the presence of the solvent channels, the water molecules show similar residence time for both complexes in the case of thrombin but differing residence times in the case of the two trypsin complexes. The LoCorA approach is implemented in the computer program LoCorA (same name as the approach itself), which was developed as part of this doctoral dissertation. In the course of this doctoral dissertation, further computational studies were carried out in combination with experimental ones. These can be found in chapter 5 of this dissertation. Each of these studies is preceded by a separate abstract and a statement concerning the author contribution.

Zusammenfassung:
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.


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