A workflow for exploring ligand dissociation from a macromolecule: Efficient random acceleration molecular dynamics simulation and interaction fingerprint analysis of ligand trajectories

分子动力学 离解(化学) 配体(生物化学) 化学 计算机科学 高分子 生物系统 计算化学 化学物理 物理化学 生物化学 生物 受体
作者
Daria B. Kokh,Bernd Doser,Stefan Richter,Fabian Ormersbach,Xingyi Cheng,Rebecca C. Wade
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:153 (12) 被引量:70
标识
DOI:10.1063/5.0019088
摘要

The dissociation of ligands from proteins and other biomacromolecules occurs over a wide range of timescales. For most pharmaceutically relevant inhibitors, these timescales are far beyond those that are accessible by conventional molecular dynamics (MD) simulation. Consequently, to explore ligand egress mechanisms and compute dissociation rates, it is necessary to enhance the sampling of ligand unbinding. Random Acceleration MD (RAMD) is a simple method to enhance ligand egress from a macromolecular binding site, which enables the exploration of ligand egress routes without prior knowledge of the reaction coordinates. Furthermore, the tauRAMD procedure can be used to compute the relative residence times of ligands. When combined with a machine-learning analysis of protein-ligand interaction fingerprints (IFPs), molecular features that affect ligand unbinding kinetics can be identified. Here, we describe the implementation of RAMD in GROMACS 2020, which provides significantly improved computational performance, with scaling to large molecular systems. For the automated analysis of RAMD results, we developed MD-IFP, a set of tools for the generation of IFPs along unbinding trajectories and for their use in the exploration of ligand dynamics. We demonstrate that the analysis of ligand dissociation trajectories by mapping them onto the IFP space enables the characterization of ligand dissociation routes and metastable states. The combined implementation of RAMD and MD-IFP provides a computationally efficient and freely available workflow that can be applied to hundreds of compounds in a reasonable computational time and will facilitate the use of tauRAMD in drug design.
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