Application and Optimization of Contact-Guided Replica Exchange Molecular Dynamics
Creators: name: Voronin, Arthur
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Computational Biophysics
Proteins
Molecular Simulation
Molecular Dynamics
Replica Exchange
Parameter Optimization
Native-Like Structures
pyrexMD

description: Proteine sind komplexe Makromoleküle, die in lebenden Organismen eine große Vielfalt an wichtigen Aufgaben erfüllen. Proteine können beispielsweise Gene regulieren, Struktur stabilisieren, Zellsignale übertragen, Substanzen transportieren und vieles mehr. Typischerweise sind umfassende Kenntnisse von Struktur und Dynamik eines Proteins erforderlich um dessen physiologische Funktion und Interaktionsmechanismen vollständig zu verstehen. Gewonnene Erkenntnisse sind für Biowissenschaften unerlässlich und können auf viele Bereiche angewendet werden, wie z.B. für Arzneimitteldesign oder zur Krankheitsbehandlung. Trotz des unfassbaren Fortschritts experimenteller Techniken bleibt die Bestimmung einer Proteinstruktur immer noch eine herausfordernde Aufgabe. Außerdem können Experimente nur Teilinformationen liefern und Messdaten können mehrdeutig und schwer zu interpretieren sein. Aus diesem Grund werden häufig Computersimulationen durchgeführt um weitere Erkenntnisse zu liefern und die Lücke zwischen Theorie und Experiment zu schließen. Heute sind viele in-silico Methoden in der Lage genaue Protein Strukturmodelle zu erzeugen, sei es mit einem de novo Ansatz oder durch Verbesserung eines anfänglichen Modells unter Berücksichtigung experimenteller Daten. In dieser Dissertation erforsche ich die Möglichkeiten von Replica Exchange Molekulardynamik (REX MD) als ein physikbasierter Ansatz zur Erzeugung von physikalisch sinnvollen Proteinstrukturen. Dabei lege ich den Fokus darauf möglichst nativähnliche Strukturen zu erhalten und untersuche die Stärken und Schwächen der angewendeten Methode. Ich erweitere die Standardanwendung, indem ich ein kontaktbasiertes Bias-Potential integriere um die Leistung und das Endergebnis von REX zu verbessern. Die Einbeziehung nativer Kontaktpaare, die sowohl aus theoretischen als auch aus experimentellen Quellen abgeleitet werden können, treibt die Simulation in Richtung gewünschter Konformationen und reduziert dementsprechend den notwendigen Rechenaufwand. Während meiner Arbeit führte ich mehrere Studien durch mit dem Ziel, die Anreicherung von nativ-ähnlichen Strukturen zu maximieren, wodurch der End-to-End Prozess von geleitetem REX MD optimiert wird. Jede Studie zielt darauf ab wichtige Aspekte der verwendeten Methode zu untersuchen und zu verbessern: 1) Ich studiere die Auswirkungen verschiedener Auswahlen von Bias-Kontakten, insbesondere die Reichweitenabhängigkeit und den negativen Einfluss von fehlerhaften Kontakten. Dadurch kann ich ermitteln, welche Art von Bias zu einer signifikanten Anreicherung von nativ-ähnlichen Konformationen führen im Vergleich zu regulärem REX. 2) Ich führe eine Parameteroptimierung am verwendeten Bias-Potential durch. Der Vergleich von Ergebnissen aus REX-Simulationen unter Verwendung unterschiedlicher sigmoidförmiger Potentiale weist mir sinnvolle Parameter Bereiche auf, wodurch ich ein ideales Bias-Potenzial für den allgemeinen Anwendungsfall ableiten kann. 3) Ich stelle eine de novo Faltungsmethode vor, die möglichst schnell viele einzigartige Startstrukturen für REX generieren kann. Dabei untersuche ich ausführlich die Leistung dieser Methode und vergleiche zwei verschiedene Ansätze zur Auswahl der Startstruktur. Das Ergebnis von REX wird stark verbessert, falls Strukturen bereits zu Beginn eine große Bandbreite des Konformationsraumes abdecken und gleichzeitig eine geringe Distanz zum angestrebten Zustand aufweisen. 4) Ich untersuche vier komplexe Algorithmusketten, die in der Lage sind repräsentative Strukturen aus großen biomolekularen Ensembles zu extrahieren, welche durch REX erzeugt wurden. Dabei studiere ich ihre Robustheit und Zuverlässigkeit, vergleiche sie miteinander und bewerte ihre erbrachte Leistung numerisch. 5) Basierend auf meiner Erfahrung mit geleitetem REX MD habe ich ein Python-Paket entwickelt um REX-Projekte zu automatisieren und zu vereinfachen. Es ermöglicht einem Benutzer das Entwerfen, Ausführen, Analysieren und Visualisieren eines REX-Projektes in einer interaktiven und benutzerfreundlichen Umgebung.