Free energy prediction of biomolecular systems using ensembles of structures

Abstract

Knowledge about the underlying free energy landscape of biomolecules is crucial for a basic understanding of the inner workings of proteins. Its fast and accurate calculation is indispensable for conformational analysis, structure-based protein design or for protein docking. On the one hand, existing rigorous methods like free energy perturbation or thermodynamic integration are time-consuming and cannot be used for large scans required for protein or vaccine design. On the other hand, fast treatments rely on empirical or statistical data and deliberately neglect protein flexibility and are therefore limited in accuracy. In this thesis, a novel method for the estimation of free energy changes upon mutation is proposed combining a physical effective energy function with an efficient sampling of available conformational space. The energy function is based on physical chemistry and an efficient continuum solvent approach. It is averaged over alternative protein conformations fulfilling geometric constraints. The main advantage of our method is its inclusion of full protein flexibility, which dramatically improves the prediction quality for protein-protein binding affinities. Due to its hundredfold gain in speed with respect to conventional methods the method enables e.g. full mutant scanning of protein-protein interfaces. The method was successfully applied to the study of mutational effects on protein-protein and protein-peptide binding.

Die Kenntnis der Freie-Energielandschaft von Proteinen ist essentiell für ein tiefergehendes Verständnis ihrer Funktionsweise. Die schnelle und präzise Bestimmung der Freien Energie ist wichtig für strukturbasierte Analysen, Proteindesign oder für das Proteindocking. Methoden wie die Freie Energie Störungsrechnung liefern physikalisch korrekte Beschreibungen, die allerdings mit hohem Rechenaufwand verbunden sind und daher für umfängliche Untersuchungen ungeeignet sind. Schnelle Methoden stützen sich dagegen auf empirische oder statistische Daten, vernachlässigen dabei die Proteinflexibilität und weisen daher eine eingeschränkte Genauigkeit auf. Diese Arbeit stellt eine neu entwickelte Methode zur Berechnung von Freien Energieänderungen durch Mutationen vor, die eine physikalisch effektive Energiefunktion mit einer effizienten Abtastung des verfügbaren Konformationsraumes kombiniert. Die über alternative Proteinstrukturen gemittelte Energiefunktion basiert auf physikalischer Chemie und einer effizienten Behandlung des Lösungsmittels. Der größte Vorteil unserer Methode ist die Berücksichtigung der vollen Flexibilität, welche die Vorhersagequalität von Bindungsaffinitäten deutlich steigert. Durch einen hundertfachen Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zu konventionellen Methoden werden Studien ermöglicht, die den vollen Mutationsraum von Protein-Protein Grenzflächen abdecken. Die Methode wurde erfolgreich angewandt zur Analyse der Protein-Protein sowie der Protein-Peptid Bindung.