Implementing and Assessing an Alchemical Method for Calculating Protein–Protein Binding Free Energy

计算机科学 生物系统 结合亲和力 非平衡态热力学 能量(信号处理) 电荷(物理) 亲缘关系 计算 蛋白质设计 统计物理学 蛋白质结构 拓扑(电路) 算法 物理 化学 生物 热力学 数学 遗传学 受体 组合数学 立体化学 量子力学 核磁共振
作者
Dharmeshkumar Patel,Jagdish Suresh Patel,F. Marty Ytreberg
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:17 (4): 2457-2464 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.0c01045
摘要

Protein–protein binding is fundamental to most biological processes. It is important to be able to use computation to accurately estimate the change in protein–protein binding free energy due to mutations in order to answer biological questions that would be experimentally challenging, laborious, or time-consuming. Although nonrigorous free-energy methods are faster, rigorous alchemical molecular dynamics-based methods are considerably more accurate and are becoming more feasible with the advancement of computer hardware and molecular simulation software. Even with sufficient computational resources, there are still major challenges to using alchemical free-energy methods for protein–protein complexes, such as generating hybrid structures and topologies, maintaining a neutral net charge of the system when there is a charge-changing mutation, and setting up the simulation. In the current study, we have used the pmx package to generate hybrid structures and topologies, and a double-system/single-box approach to maintain the net charge of the system. To test the approach, we predicted relative binding affinities for two protein–protein complexes using a nonequilibrium alchemical method based on the Crooks fluctuation theorem and compared the results with experimental values. The method correctly identified stabilizing from destabilizing mutations for a small protein–protein complex, and a larger, more challenging antibody complex. Strong correlations were obtained between predicted and experimental relative binding affinities for both protein–protein systems.
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