Application of Molecular Dynamics methods to the study of biological systems

Abstract

La aplicación de métodos de dinámica molecular (MD) para el estudio de sistemas biológicos. Esta tesis se centra en la aplicación tanto de dinámica molecular clásica como perturbación de energía libre (FEP) para estudiar sistemas biológicos tales como los receptores acoplados a proteínas G y los inhibidores de BACE1. La tesis se divide en 5 secciones, en primer lugar, una introducción donde se explica la evolución de la metodología de MD, en segundo lugar, una sección sobre métodos utilizados en esta tesis, la tercera sección se centra en el uso de simulaciones de MD para estudiar dos aspectos diferentes de los GPCR, oligomerización del tetrámero formado por receptores de adenosina y el mecanismo de activación por ligandos alostéricos dirigidos al receptor metabotrópico de glutamato 2. La cuarta sección se centra en la aplicación de FEP con el objetivo de diseñar nuevos inhibidores de BACE1 y poner en práctica esta metodología en un proyecto de desarrollo de fármacos realizado en colaboración con Janssen Pharmaceutica. La última sección resume las conclusiones alcanzadas. En general, se demuestra que los métodos de Dinámica Molecular, puede ser de gran valor para comprender los escenarios descritos a nivel molecular, y, en particular, las interacciones y los procesos dinámicos que se producen. Esto a su vez ayudará a la comprensión más detallada de la biología básica y el diseño de fármacos. El trabajo justifica aplicaciones futuras en estas áreas y continua la exploración de forma detallada de la influencia que los métodos MD y FEP pueden alcanzar.

Application of Molecular Dynamics (MD) methods to the study of biological systems. This thesis is focused on the application of both classical MD and free energy perturbation (FEP) to study biological systems such as G protein-coupled receptors and BACE1 inhibitors. The thesis is divided into 5 sections, firstly an introduction where a timeline and evolution of MD methodology is explained, secondly a second section on Methods, the third section focuses on the use of MD simulation to study two different aspects of GPCRs, oligomerization of the tetramer formed by Adenosine receptors and the mechanism of activation by allosteric ligands targeting the metabotropic glutamate 2 receptor. The fourth section is focused on the application of FEP with the aim of designing new BACE1 inhibitors and to implement this methodology into a real drug discovery project performed in collaboration with Janssen Pharmaceutica. The final section summarizes the conclusions reached. Overall, it is shown that state of the art MD simulations, and hence modern computational methodology, can be of value to understand the described scenarios at the molecular level, and in particular the interactions and dynamic processes which occur. This in turn will help with more detailed understanding of basic biology and drug design. The work justifies future applications in these areas and continued deeper exploration of the limits of the impact which MD and FEP methods can reach.