Mapping biophysics through enhanced Monte Carlo techniques

Abstract

This thesis is focused on the study of molecular interactions at the atomistic detail and is divided into one introductory chapter and four chapters referencing different problems and methodological approaches. All of them are focused on the development and improvement of computational Monte Carlo algorithms to study, in an efficient manner, the behavior of these systems at a classical molecular mechanics level. The four biophysical problems studied in this thesis are: induced fit docking between protein-ligand and between DNA-ligand to understand the binding mechanism, protein stretching response, and generation/ scoring of protein-protein docking poses. The thesis is organized as follows: First chapter corresponds to the state of the art in computational methods to study biophysical interactions, which is the starting point of this thesis. Our in-house PELE algorithm and the main standard methods such as molecular dynamics will be explained in detail. Chapter two is focused on the main PELE modifications to add new features, such as the addition of a new force field, implicit solvent and an anisotropic network specific for DNA simulation studies. We study, compare and validate the conformations generated by six representative DNA fragments with the new PELE features using molecular dynamics as a reference. Chapter three is devoted to applying the new methods implemented and tested in PELE to study protein-ligand interactions and DNA-ligand interactions using four systems. First, we study the porphyrin binding to Gun4 protein combining PELE and molecular dynamics simulations. Besides, we provide a docking pose that has been corroborated by a new crystal structure published during the revision process of the submitted study showing the accuracy of our predictions. In the second project, we use our improved version of PELE to generate the first structural model of an alpha glucose 1,6-bisphosphate substrate bound to the human Phosphomannomutase 2 demonstrating that this ligand can adopt two low-energy orientations. The third project is the study of DNA-ligand interactions for three cisplatin drugs where we evaluate the binding free energy using Markov state models. We show excellent results respect another free energy methods studied with molecular dynamics. The last project is the study of the daunomycin DNA intercalator where we simulate and study the binding process with PELE. Chapter four is focused on the computational study of force extension profiles during the protein unfolding. We added a dynamic harmonic constraint following a similar procedure applied in steered molecular dynamics to our Monte Carlo approach to fix or pull some selected atoms forcing the protein unfolding in a defined direction. We implement and compare with steered molecular dynamics this technique with Ubiquitin and Azurin proteins. Moreover, we add this feature to a well-known algorithm called MCPRO from William Jorgensen¿s group at YALE University to evaluate the free energy associated to the unfolding of the deca-alanine system. Chapter five corresponds to the introduction of a multiscale approach to study protein-protein docking. A coarse-grained model will be combined with a Monte Carlo exploration reducing the degrees of freedom to generate thousands of protein-protein poses in a quick way. Poses produced by this procedure will be refined and ranked through a protonation, hydrogen bond optimization, and minimization protocol at the all-atom representation to identify the best poses. I present two test cases where this procedure has been applied showing a good accuracy in the predictions: tryptogalinin and ferredoxin/flavodoxin systems.

Aquesta tesi es centra en l'estudi de les interaccions moleculars amb detall atomic i es divideix en un capítol d'introducció i quatre capítols que fan referència a diferents problemes i enfocaments metodològics. Tots ells se centren en el desenvolupament i millora dels algoritmes computacionals de Monte Carlo per estudiar, de manera eficient, el comportament d'aquests sistemes a un nivell mecànica molecular clàssica. Els quatre problemes biofísics estudiats en aquesta tesi són: acoblament induït entre la proteïna-lligand i entre DNA-lligant per comprendre el mecanisme d'unió, resposta de les proteïnes a l'estirament, i la generació/puntuació d'acoblament entre poses proteïna-proteïna. La tesi s'organitza de la següent manera: El primer capítol correspon a l'estat de l'art en mètodes computacionals per estudiar les interaccions biofísiques, que és el punt de partida d'aquesta tesi. El nostre PELE algoritme i els principals mètodes estàndard com ara la dinàmica molecular s'explicaran en detall. El capítol dos es centra en les principals modificacions PELE per afegir noves característiques, com ara l'addició d'un nou camp de força, solvent implícit i modes normals per aquests estudis de simulació d'ADN. Es fa un estudi, comparació i validació de les conformacions generades per sis fragments d'ADN representatius amb PELE utilitzant dinàmica molecular com a referència. El tercer capítol està dedicat a l'aplicació dels nous mètodes implementats i provats en PELE per estudiar les interaccions proteïna-lligand i la interacció lligand-DNA utilitzant quatre sistemes. En primer lloc, se estudia la unió a proteïnes GUN4 combinant PELE i simulacions de dinàmica molecular. A més, es proposa un acoblament que ha sigut corroborat per una nova estructura cristal·lina publicada durant el procés de revisió de l'estudi mostrant l'exactitud de les nostres prediccions. En el segon projecte, hem utilitzat la nostra versió millorada de PELE per generar el primer model estructural d'una glucosa alfa substrat 1,6-bisfosfat unit a la fosfomanomutasa humana 2, que demostra que aquest lligant pot adoptar dues orientacions de baiza energia. El tercer projecte és l'estudi de les interaccions d'ADN lligant per tres medicaments cisplatí on se avalua l'energia lliure d'unió utilitzant Markov States Models. Es mostren excel·lents resultats respecte d'altres mètodes d'energia lliure estudiats amb dinàmica molecular. L'últim projecte és l'estudi de l'intercalador d'ADN anomenat daunomicina on es simula i estudia el procés d'unió amb PELE. El capítol 4 es centra en l'estudi computacional dels perfils d'extensió de la força durant el desplegament de la proteïna. Hem afegit una restricció harmònica dinàmica seguint un procediment similar al aplicat en dinàmica molecular en el nostre algoritme Monte Carlo per fixar o moure alguns àtoms seleccionats obligant a desplegar la proteïna en una direcció definida. Aquesta tècnica s'ha implementat i comparat amb dinàmica molecular per les proteïnes ubiquitina i azurin. D'altra banda, hem afegit aquesta modificació a un algoritme ben conegut anomenat MCPRO del grup de William Jorgensen a la Universitat de Yale per avaluar l'energia lliure associada al desplegament del sistema deca alanina. El capítol cinc correspon a la introducció d'un enfocament multiescala per estudiar l'acoblament proteïna-proteïna. Un model de gra gruixut es combinat amb una exploració Monte Carlo per reduir els graus de llibertat i generar milers de poses proteïna-proteïna d'una manera ràpida. Les poses produides per aquest procediment es perfeccionan i evaluan a través d'una protonació, optimització d'enllaços d'hidrogen, i minimització a escala atòmica per identificar les millors poses. Es presenten dos casos de prova on s'ha aplicat aquest procediment que mostra una bona precisió en les prediccions: tryptogalinin i ferredoxina / flavodoxina systems.