Molecular recognition and selectivity : computational investigations on the dynamics of non-bonded interactions
Creators: name: Schulze-Niemand, Eric
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2022
Subjects: subject: Molekülphysik
subject: Non-bonded interactions
subject: Molecular recognition
subject: 500

description: Non-bonded interactions, such as hydrogen bonds, as well as hydrophobic and electrostatic interactions determine structure and dynamics of flexible molecules and multi-molecular assemblies. In single molecules, they selectively enable and stabilize rare, energetically unfavorable conformations which facilitate intramolecular chemical reactions or reaction with the solvent molecules. Such reactions often result in changes of surface charges with far-reaching effects on the molecular properties. Additionally, non-bonded interactions mediate the association of molecules to transient aggregates and stable complexes. The complementarity of interaction donors and acceptors on two molecular surfaces is the basis for their pairwise recognition. Selective recognition of distinct molecules or chemical groups within a single molecule is a fundamental aspect of cellular life as well as of artificial chemical systems. Experimental methods often measure the macroscopic consequences of non-bonded interactions instead of the interaction themselves. More elaborate techniques are expensive and error-prone and still only yield limited insight. An experimental means to assess molecular interactions with high spatial and temporal resolution has not yet been proposed. In recent years, with the rise of graphics processing units and the increase in easily available computing power, the theoretical Molecular Dynamics (MD) method has emerged as standard tool to investigate the time-resolved behavior of molecular structures and interactions. A cornucopia of condensed phase molecular systems has been to the subject of MD simulations, yet with varying rigor in preparation, force-field selection, and quantitative analysis. Even though different questions require different analytics, an absence of comparable, generally applicable means to analyze and visualize non-bonded interactions and their effects from MD trajectory data can be stated. In this work, dynamical aspects of non-bonded interactions as the basis for molecular selectivity and recognition are investigated by classical equilibrium and non-equilibrium MD simulation. With the aid of seven partially connected case studies on proteins and molecular layers, general conclusions on inter- and intramolecular non-bonded interactions are sought. For each system, customized MD-based workflows were developed and applied. The herein presented case studies encompass 1. the prediction of a small-molecule binding mode to a receptor protein, 2. the quantitative comparison of the protein-protein binding modes of two evolutionary divergent enzymes, 3. the site-resolved conformational analysis of N-glycans, 4. the site-selectivity of asparagine deamidation of two related proteins, 5. the aggregation of signaling lipids around an anchored peptide, 6. the phase transitions of the membrane anchoring components within mixed self-assembled monolayers (SAMs) and 7. the effects of such anchors on vesicles adsorbing to the mixed SAMs. The problems were investigated with experimental support and theoretical insight from different research labs. Highlights of the computational methodology include the development of a feasible NMR-guided ensemble docking workflow for weak binders, the compilation of a fully automated, multi-scale modeling, simulation, and analysis workflow for mixed SAMs and the benchmarking and application of an embedded torsion-angle clustering approach. In general, it showed that, while the investigated issues were different, the necessary trajectory analysis means were related and or of general applicability. Initially, the most persistent intermolecular or non-neighboring intramolecular interactions were identified. Such analysis was accompanied by a high-resolution (bond-wise) analysis of conformational and in some instances also orientational preferences. A key insight was that conformational analysis must be distribution-based to identify multimodality and avoid an artificial averaging. Instead, in MD trajectory analysis, quantile probabilities are the superior statistical means. Conformational clustering proved to be necessary to reveal the size of individual populations as well as unexpected statistical dependencies. The individual case studies yielded valuable understanding and contributions to their respective fields and highlighted the diversity of types and their effects of non-bonded interactions. For example, the binding or bile acids to the receptor protein was mediated mostly by hydrophobic and electrostatic interactions. The binding was weak as reflected by significant dynamics and the accessibility of multiple possible binding modes. Upon acid binding, the C-terminus of the receptor transitions from a protein-bound to a more solvent-exposed conformation. Such a transition might facilitate the multimerization of the receptor proteins which are stabilized by C-terminal interactions. RavD and OTULIN are bacterial and human DUB proteases that bind to identical substrates. In the bacterial RavD equivalent, one of the binding sites substituted electrostatic for weaker hydrophobic interactions, with the result of a reduced binding interface area and stability compared to human. Transient protein-glycan interactions in human erythropoietin protein induce significant, site of glycosylation-specific changes to the conformational spaces of the glycosylation root but not on the glycan itself. Asparagine 373 of a viral coat protein undergoes exceptionally fast post-translational deamidation reaction. This residue is positioned in a specific loop region, which is characterized by a presence of a nearby threonine that forms strong hydrogen bonds with two successive backbone hydrogens. In this loop, the amino acid backbone adopts a rare conformation that enables a short attack distance as well as an increased backbone hydrogen acidity and thus promotes the chemical reaction. Mixed SAMs are used to tether lipid bilayers by inclusion of long acyl anchor-carrying alkanethiols to gold surfaces. Such molecules are engaged in strong hydrophobic intermolecular interactions, which lead to long-living self-aggregation and a highly ordered configuration with a collective surface normal-parallel orientation. This special configuration of the aggregated tethering molecules showed to be advantageous for tethered-bilayer preparations. Overall, the results show that MD is the prime method of choice to study molecular interactions and their effects on the conformational space. However, recent advancements regarding the availability of more powerful computational resources and the resulting possibility to increase the time covered and the conformational space sampled affords the accessibility of more robust and elaborate trajectory analysis means. Such are suggested and recommended in this work.
description: Intermolekulare Wechselwirkungen z.B. Wasserstoffbrücken, hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen bestimmen die Struktur und Dynamik von flexiblen Molekülen und Molekülkomplexen. In isolierten Molekülen sorgen sie u.a. für die Stabilisierung von seltenen, energetisch ungünstigen Konformeren, die intramolekulare chemische Reaktionen oder auch Lösungsmittelreaktionen ermöglichen. Solche Reaktionen führen häufig zu einer Änderung der Oberflächenladung, was weitreichende Folgen für die molekularen Eigenschaften mit sich bringt. Dazu kommt, dass diese Interaktionen die Assoziation von Molekülen zu kurzlebigen Aggregaten und stabilen Komplexen veranlassen oder diese regulieren. Die Basis für die gegenseitige Erkennung von Molekülen liegt in der Komplementarität der oberflächlichen lokalisierten Wechselwirkungspartner Die selektive Erkennung von bestimmten Molekülen oder chemischen Gruppen innerhalb eines Moleküls durch einen Bindungspartner ist eine grundlegende Eigenschaft von zellulärem Leben und technisch-chemischen Systemen. Experimente messen häufig lediglich die Resultate und zeitlichen Mittelwerte von nichtkovalenten Interaktionen anstatt der Interaktionen selbst. Aufwendigere Methoden sind teuer, eventuell fehleranfällig und meist limitiert auf wenige Atome oder Gruppen. Zurzeit gibt es kein Experiment, was in der Lage wäre, molekulare Wechselwirkungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung darzustellen. Mit dem derzeitigen Aufstieg von Grafikprozessoren und dem damit verbundenem Wachstum von nutzbarer Computerrechenleistung, hat sich die theoretische Methode der Molekulardynamik (MD) zu einem Standardwerkzeug entwickelt. Die Technik wird regelmäßig benutzt, um die zeitliche Änderung von molekularen Strukturen und Wechselwirkungen zu untersuchen. Heute lässt sich aus einem Füllhorn verschiedenster Anwendungsbeispiele von MD schöpfen, wovon einige jedoch die nötige Fürsorge bei der Vorbereitung sowie der Auswahl von Kraftfeld-Parametern und Analysemethoden vermissen lassen. Es ist klar, dass verschiedene Fragestellungen auch verschiedene Techniken erfordern. Dennoch kann man feststellen, dass es zu wenige vergleichbare, allgemeinhin genutzte Ansätze für die Quantifizierung und Darstellung von intermolekularen Wechselwirkungen gibt. In dieser Arbeit werden sowohl Gleichgewichts- als auch Nicht-Gleichgewichts-MD Simulationen durchgeführt, um eine dynamische Sichtweise von nicht-kovalenten Bindungen und ihren Beiträgen hinsichtlich molekularer Selektivität und Erkennung zu entwickeln. Anhand von sechs teilweise aufeinander aufbauenden Fallstudien zu Proteinen und selbstorganisierten synthetischen Mono- und Doppelschichten sollen allgemeine Erkenntnisse gewonnen werden. Es wurden für jede Studie maßgeschneiderte Abläufe der Präparation, Simulation und Analyse entwickelt und benutzt. Die einzelnen Fallstudien beinhalten 1. Vorhersage der Bindungsmodi eines kleinen Moleküls an seinen Rezeptor, 2. quantitativer Vergleich der Protein-Protein Bindungsstellen zweier analoger Proteine in einem bakteriellen und menschlichem Protein, 3. Analyse des Konformerenraums von protein-gebundenen N-Glykanen, 4. Dynamik-basierte Erklärung für die schnelle Deamidierung eines bestimmten Asparaginrests in zwei verwandten Proteinen, 5. Änderungen von Konformationen und Orientierungen von bestimmten langkettigen Komponenten einer gemischten selbstorganisierenden Monoschicht und 6. Auswirkungen der langkettigen Komponenten auf Vesikel, die an die Monoschicht adsorbieren. Die Fragestellung und Herangehensweise wurden durch Experimente und theoretische Einblicke von verschiedenen anderen Laboren unterstützt. Besonders bemerkenswerte computergeschützte Methoden waren die Entwicklung eines Ensemble-Docking Protokolls für schwach bindende Moleküle, die Zusammenstellung eines automatischen Modellierungs-, Simulations- und Auswertungsprotokolls für gemischte selbstorganisierte Monoschichten, sowie die Entwicklung und Anwendung eines eingebetteten Gruppierungsalgorithmus für Torsionswinkel. Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass sich die nötigen Analysemethoden gleichen, auch wenn sich die untersuchten Probleme teils deutlich unterschieden. Dabei wurden zunächst langlebige inter- und intramolekulare Kontakte untersucht. Das wurde von einer genauen Analyse von Konformation und Orientierung verschiedener Bindungen begleitet. Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass sich ähnliche Analyse-Ansätze als nützlich erwiesen haben, unabhängig von der untersuchten Fragestellung. Zunächst wurden die wesentlichsten intermolekularen und intramolekularen Wechselwirkungen identifiziert. Diese Untersuchung wurde begleitet von einer hochaufgelösten Analyse der molekularen Konformationen und Orientierungen. Eine wichtige Erkenntnis war, dass geometrische Parameter immer eine Verteilungs-basierte Analyse erfordern, um künstliche Mittelwertbildung bei unerkannten Multimodalitäten zu vermeiden. Stattdessen ist es angebracht, Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu benutzen. Außerdem hat sich die Clusteranalyse als nützlich erweisen, um Populationsgrößen zu bestimmen und unerwartete Abhängigkeiten zu identifizieren. Aus den einzelnen Fallstudien konnten wertvolle Erkenntnisse und wissenschaftliche Beiträge abgeleitet werden. Außerdem wurde das Ausmaß der Unterschiede in Art und Wirkung von nicht-kovalenten Interaktionen deutlich. Zum Beispiel ist die von hydrophoben und elektrostatischen Wechselwirkungen dominerte Bindung von Gallsäuremolekülen an ein virales Rezeptorprotein von einer deutlichen Dynamik beider Moleküle begleitet. Insbesondere wird der C-Terminus des Rezeptorproteins von der bindenden Gallsäure verdrängt und wechselt in eine eher wasserzugängliche andere Konformation. Das könnte einen Einfluss auf die Multimerisierung des Rezeptors haben, welche durch C-terminale Interaktionen stabilisiert wird. Die Protease-Enzyme RavD und OTULIN binden dasselbe Substratprotein. Jedoch nutzt bakterielles RavD dafür eher unspezifische hydrophobe Wechselwirkung anstelle von gerichteten, komplementären elektrostatischen Wechselwirkungen in menschlichem OTULIN, was sich in einer verringerten Grenzfläche und Bindungsstabilität widerspiegelt. Bei dem menschlichen Wachstumsfaktor Erythropoietin wurden kurzlebige Wechselwirkungen zwischen den N-Glykanen und dem Protein identifiziert. Sie induzieren eine Veränderung des Konformerenraums an den Glykosierungswurzeln aber nicht so sehr in den N-Glykanen selbst. Im einem viralen Hüllenprotein gibt es eine spezielle Asparagin-Stelle, die spontan und ausnahmslos schnell die intramolekular chemische Reaktion der Deamidierung eingeht. Das konnte damit erklärt werden, dass sich dieses Asparagin in einem besonderen Schleifenmotiv befindet, welches durch starke Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einem zentralen Threonin und zwei Rückgrat-Aminen hervorgerufen wird. Dieses Muster führt zu einer verzerrten Rückgrat-Konformation, die mit einer geeigneten Angriffsgeometrie sowie einer erhöhten Azidität des Amin-Wasserstoffatoms einhergeht. Mehrkomponentige selbstorganisierenden Monoschichten werden genutzt, um darauf Lipidmembranen zu fixieren. Dabei werden Alkanthiole beigesetzt, die mit weiteren langen Alkylketten funktionalisiert sind, um in die aufgebrachte Lipidmembran einzudringen. Derartige Moleküle zeigen aufgrund ihrer starken hydrophoben Interaktionen eine stabile Aggregation, was zu einer deutlichen Phasenänderung von einem ungeordneten zu einem geordneten Zustand führt. Diese Änderung hat sich als vorteilhaft für die Herstellung von fixierten Lipidmembranen erwiesen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass Molekulardynamik Simulationen die Methode der Wahl zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung molekularer Wechselwirkungen bei konformationellen Änderungen ist. Jedoch haben jüngste Fortschritte in der Verfügbarkeit von zunehmender Hochleistungs-Rechenleistung dazu geführt, dass die zeitlichen Computersimulationstrajektorien deutlich an Simulationslänge gewonnen haben. Das wiederum erfordert robustere und geschicktere Analyse-Techniken, so wie sie in dieser Arbeit aufgezeigt und empfohlen werden.