Enhanced Conformational Sampling of Proteins Using TEE-REX

Abstract

Heutige Molekulardynamik (MD) Simulationen mittelgroßer biomolekularer Systeme in atomarer Auflösung sind auf die Sub-Mikrosekunden Zeitskala beschränkt und leiden daher unter unzureichendem konformationellem Sampling. Leistungsfähige, Ensemble-erhaltende Algorithmen wie Replica Exchange (REX) mildern dieses Problem etwas, sind aber mit enormem Rechenaufwand verbunden, bedingt durch die hohe Zahl von Freiheitsgraden der zu simulierenden Systeme. In dieser Arbeit entwickeln wir den TEE-REX Algorithmus, der die Ideen von Essential Dynamics und REX kombiniert, mit dem Ziel einer Erhöhung der Sampling-Effizienz. Im Gegensatz zu REX wird in jeder TEE-REX Replik nur eine Auswahl essentieller kollektiver Freiheitsgrade eines ausgewählten Untersystems an eine höhere Temperatur gekoppelt, während des Rest des Systems auf der Referenztemperatur $T_0$ gehalten wird. Diese gezielte Anregung erlaubt - in Verbindung mit dem Replica Exchange Formalismus - ein effizientes, Ensemble-erhaltendes Sampling der maßgeblichen Freiheitsgrade. Hierdurch werden höhere Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Repliken möglich, was die Sampling-Effizienz beträchtlich erhöht. Ensemble-Eigenschaften und Leistungsfähigkeit der Methode werden an einem Dialanin- und einem Guanylin-Testsystem untersucht, wobei Multi-Mikrosekunden MD Simulationen dieser Systeme als Referenz dienen. In einer ersten Anwendung des TEE-REX Algorithmus wird in atomarer Auflösung der spontane Konformationsübergang von E. coli Adenylat-Kinase (ADK) untersucht, einem universell vorkommenden Enzym, das eine Schlüsselrolle einnimmt bei der Aufrechterhaltung der zellulären Energieversorgung durch Kontrolle des ATP-Niveaus. Kristallstrukturen einer Substrat-freien "offenen" und einer Substrat-gebundenen "geschlossenen" Konformation sind bekannt, was einen großen Konformationsübergang impliziert. TEE-REX Simulationen lassen einen zwei-stufigen Übergangspfad von ADK erkennen, das sich in die drei Domänen CORE, LID und AMPbd faltet. Ausgehend vom Substrat-freien geschlossenen Zustand erfolgt im ersten Schritt eine Halb-Öffnung der AMPbd Domäne, gefolgt von einer teilweise korrelierten Öffnung der LID und AMPbd Domänen in der zweiten Phase. Die sehr stabile Salzbrücke Asp118-Lys136 an der LID-CORE Grenzfläche, die einen erheblichen Anteil der gesamten nicht-kovalenten LID-CORE Wechselwirkungen trägt, konnte als Hauptfaktor für die Stabilisierung des offenen Zustandes identifiziert werden. Alternative Übergangspfade, d.h. Öffnung der AMPbd Domäne folgt einer Öffnung der LID Domäne, sind unwahrscheinlich, da komplette Übergangsereignisse entlang dieses Pfades nicht beobachtet werden. Die Simulationsdaten deuten darauf hin, daß eine hohe enthalpische Barriere Übergänge entlang dieses Pfades behindert.