Berechnung der freien Energie von Protein-Ligand Komplexen mit Molekulardynamik Simulationen

Die präzise Berechnung der freien Bindungsenergien von Protein-Ligand Komplexen ist ein Fachbereich, an dem starkes wissenschaftliches Interesse besteht. Die Präzision solcher Berechnungen der freien Energie für große Systeme, wie z.B. Proteine, mittels Molekulardynamik Simulationen mit atomarer Auflösung wird oft durch die Stichprobengrösse einer Simulation limitiert. Trotz der zahlreichen vorhandenen Studien über die verfügbaren Methoden ist es schwierig zu beurteilen, wie gut diese Methoden ihre Aufgabe bei grösseren und komplexeren Systemen, wie biologischen Makromolekülen, erfüllen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein systematischer Vergleich der verfügbaren Methoden mit Systemen unterschiedlicher Komplexitiät durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine verbesserte Methode entwickelt und getestet, um Unterschiede in der freien Bindungsenergie aus Nichtgleichgewichtssimulationen zu berechnen. Hierzu wurden die Affinititäten von mehreren Mutanten des Peptids Hemagglutinin 307-319 an den Major Histocompatibility Complex Klasse II Rezeptor, sowie die Unterschiede der freien Bindungsenergie von zwei unterschiedlich modifizierten RNA-Abschlüssen an das globuläre Protein snurportin 1 mit der neu entwickelten Methode berechnet. Es konnte gezeigt werden, daß diese Methode in der Lage ist, semi-quantitative Ergebnisse zu liefern, und somit die verfügbaren Methoden in den Bereichen Genauigkeit und Effizienz übertrifft. Zusätzlich zu den Berechnungen des Unterschieds der freien Bindungsenergie zwischen den zwei involvierten RNA-Abschlüssen und snurportin 1 wurden die strukturellen Mechanismen, welche in die Funktion des Proteins involviert sind wenn eine der beiden Modifikation oder kein Ligand gebunden ist, durch MD Simulationen aufgeklärt.The accurate calculation of binding free energies for protein-ligand complexes is a field of extensive research. The accuracy in such free energy calculations from atomic-level molecular dynamics simulations is often limited for larger systems such as proteins due to sampling problems. Despite the considerable amount of studies for the different available methods, it is difficult to judge how these methods perform for larger and more complex systems such as biological macromolecules. In the present work, a systematic comparison of the available methods with systems of different complexity was performed. Moreover, an improved method to compute free energy differences from non-equilibrium simulations was developed and tested. The affinities of several mutants of the peptide Hemagglutinin 307-319 to the Major Histocompatibility Complex Class II receptor, as well as the differences in binding free energy of two differently modified RNA caps to the globular protein snurportin 1 have been assessed with the newly developed method. It was shown, that this new method is able to yield semi-quantitative results and therefore is superior to the available methods in terms of computational effort and precision. Apart from the calculations of binding free energy differences of the two involved RNA caps to snurportin 1, the structural mechanisms involved in the function of the protein when bound to either the methylated or the hypermethylated cap as well as without a ligand have been addressed and answered by MD simulations