TY  - THES
A1  - Le, Thien Anh
T1  - Theoretical investigations of proton transfer and interactions or reactions of covalent and non-covalent inhibitors in different proteins
T1  - Theoretische Untersuchungen des Protontransfers und Interaktion oder Reaktion von kovalenten und nicht-kovalenten Inhibitoren in verschiedenen Proteinen
N2  - Nowadays, computational-aided investigations become an essential part in the chemical, biochemical or pharmaceutical research. With increasing computing power, the calculation of larger biological systems becomes feasible. In this work molecular mechanical (MM) and quantum mechanical approaches (QM) and the combination of both (QM/MM) have been applied to study several questions which arose from different working groups. Thus, this work comprises eight different subjects which deals with chemical reactions or proton transfer in enzymes, conformational changes of ligands or proteins and verification of experimental data. 
This work firstly deals with reaction mechanisms of aromatic inhibitors of cysteine proteases which can be found in many organisms. These enzymes are responsible for various cancer or diseases as for example Human African Trypanosomiasis (HAT) or the Chagas disease. Aromatic SNAr-type electrophiles might offer a new possibility to covalently modify these proteases. Quantum mechanical calculations have been performed to gain insights into the energetics and possible mechanisms.
The next chapter also deals with Trypanosomiasis but the focus was set on a different enzyme. The particularity of Trypanosomiasis is the thiol metabolism which can also be modified by covalent inhibitors. In this context, the wild type and point mutations of the enzyme tryparedoxin have been investigated via molecular dynamic (MD) simulations to examine the influence of specific amino acids in regard to the inhibitor. Experimental data showed that a dimerization of the enzyme occurs if the inhibitor is present. Simulations revealed that the stability of the dimer decreases in absence of the inhibitor and thus confirms these experiments. 
Further investigations concerning cysteine proteases such as cruzain and rhodesain have been conducted with respect to experimental kinetic data of covalent vinylsulfone inhibitors. Several approaches such as QM or QM/MM calculations and docking, MD or MMPBSA/MMGBSA simulations have been applied to reproduce these data. The utilization of force field approaches resulted in a qualitatively accurate prediction. 
The kinase AKT is involved in a range of diseases and plays an important role in the formation of cancer. Novel covalent-allosteric inhibitors have been developed and crystallized in complex with AKT. It was shown that depending on the inhibitor a different cysteine residue is modified. To investigate these differences in covalent modification computational simulations have been applied. 
Enoyl-(acyl carrier) (ENR) proteins are essential in the last step of the fatty acid biosynthesis II (FAS) and represent a good target for inhibition. The diphenylether inhibitor SKTS1 which was originally designed to target the ENR’s of Staphylococcus aureus was also crystallized in InhA, the ENR of Mycobacterium tuberculosis (TB). Crystal structures indicate a change of the inhibitor's tautomeric form. This subject was investigated via MD simulations. Results of these simulations confirmed the tautomerization of the inhibitor. 
This work also deals with the development of a covalent inhibitor originating from a non-covalent ligand. The target FadA5 is an essential enzyme for the degradation of steroids in TB and is responsible for chronic tuberculosis. This enzyme was crystallized in complex with a non-covalent ligand which served as starting point for this study. Computations on QM or QM/MM level and docking and MD simulations have been applied to evaluate potential candidates. 
The next chapter focuses on the modification of the product spectrum of Bacillus megaterium levansucrase, a polymerase which catalyzes the biosynthesis of fructans. The covalent modification of the wild type or mutants of the enzyme lead to an accumulation of oligosaccharides but also to polymers with higher polymerization degree. To understand these changes in product spectra MD simulations have been performed. 
Finally, the proton transfer in catalytic cysteine histidine dyads was investigated. The focus was set on the influence of the relaxation of the protein environment to the reaction. Calculations of the enzymes FadA5 and rhodesain revealed that the preferred protonation state of the dyade depends on the protein environment and has an impact on the reaction barrier. Furthermore, the adaptation of the environment to a fixed protonation state was analyzed via MD simulations.
N2  - Heutzutage sind computergestützte Untersuchungen ein essentieller Teil in der chemischen, biochemischen oder pharmazeutischen Forschung. Durch die in den Jahren gestiegene Rechenleistung ist die Berechnung biologischer Systeme möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden molekularmechanische (MM) und quantenmechanische (QM) Methoden sowie die Kombination beider (QM/MM) für verschiedene Studien eingesetzt, die teilweise aus Fragestellungen verschiedener Arbeitsgruppen hervorgegangen sind. Dadurch umfasst diese Arbeit acht verschiedene Themenkomplexe, bei denen chemische Reaktionen, aber auch der Protonentransfer in Enzymen, Konformationsänderungen von Liganden oder Proteinen und die Verifizierung experimenteller Daten im Fokus standen.  
Die Arbeit befasst sich anfangs mit Reaktionsmechansimen aromatischer Inhibitoren für Cysteinproteasen, Enzyme, welche in vielen Organismen enthalten sind. Diese Enzyme sind für verschiedene Karzinome oder Krankheiten wie der Afrikanischen Trypanosomiasis oder der Chagas-Krankheit verantwortlich. Aromatische SNAr-Elektrophile bieten hierbei eine neue Möglichkeit der kovalenten Modifikation dieser Proteasen. Quantenmechanische wurden durchgeführt, um Einblicke in die Energetik und mögliche Mechanismen zu erhalten. 
Das nächste Kapitel befasst sich ebenfalls mit Trypanosomiasis, setzt aber den Fokus auf ein anderes Enzym. Die Besonderheit von Trypanosomiasis ist der Thiol Metabolismus, welcher durch kovalente Inhibitoren modifiziert werden kann. In diesem Kontext wurden der Wildtyp und Punktmutationen des Enzyms Tryparedoxin mittels Molekulardynamik Simulationen untersucht, um Interaktionen einzelner Aminosäuren mit dem kovalenten Inhibitor zu evaluieren. Experimentelle Daten zeigten, dass eine Dimerisierung des Enzyms in Anwesenheit des Inhibitors stattfindet. Durch MD-Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Stabilität des Dimers in Abwesenheit des Inhibitors sinkt, wodurch experimentellen Daten bestätigt wurden.  
Weitere Untersuchungen zu Cysteinproteasen wie Cruzain und Rhodeasin wurden durchgeführt, um experimentelle kinetische Daten von kovalenten Vinylsulfon Inhibitoren zu reproduzieren. Hierbei wurden Methoden wie QM oder QM/MM Rechnungen aber auch Docking, MD und MMPBSA/MMGBSA Simulationen angewandt, um diese Daten zu reproduzieren. In den Untersuchungen zeigte sich, dass die Verwendung der Kraftfeld-basierten Methoden zu qualitativ richtigen Vorhersagen führte. 
Die Kinase AKT ist in einer Reihe von Krankheiten involviert und spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Krebs. Neue kovalent-allosterische Inhibitoren wurden entwickelt und im kovalenten Komplex mit AKT kristallisiert. Die Kristallstrukturen zeigten, dass je nach Inhibitor ein anderes Cystein adressiert wurde. Um diese Unterschiede zu untersuchen, wurden computergestützte Simulationen verwendet. 
Enoyl-(acyl carrier) (ENR) Proteine sind essentiell für den letzten Schritt in der Fettsäurebiosynthese II (FAS) und bilden ein gutes Target zur Inhibition. Der Diphenylether Inhibitor SKTS1, welchen man ursprünglich als Target für den ENR von Staphylococcus aureus entwarf, wurde auch in InhA, dem ENR von Mycobacterium Tuberculosis (TB), kristallisiert. Die Kristallstrukturen weisen je nach Protein auf einen Wechsel der tautomeren Form des Inhibitors hin. Dieser Sachverhalt wurde mittels MD Simulationen untersucht. Hierbei zeigten die Ergebnisse eine Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. 
Diese Arbeit befasst sich ebenfalls mit der Entwicklung eines kovalenten Inhibitors ausgehend von einem nicht-kovalenten Liganden. Das Target FadA5 ist ein integrales Enzym zur Degradation von Steroiden in TB und ist für die chronische Tuberkulose verantwortlich. Dieses Enzym wurde im Komplex mit einem nicht-kovalenten Liganden kristallisiert, welches als Startpunkt dieser Untersuchungen diente. QM, QM/MM, Docking und MD Simulationen wurden hierbei verwandt, um potentielle Kandidaten zu evaluieren. 
Das nächste Kapitel befasst sich mit der Modifikation des Produktspektrums von Bacillus megaterium Levansucrase, eine Polymerase, welche die Biosynthese von Fruktanen katalysiert. Durch kovalente Modifikatoren im Wildtyp oder bei Mutanten des Enzyms konnte sowohl eine Anreicherung von Oligosacchariden, aber auch von Polymeren mit höherem Polymerisationsgrad erzielt werden. Um diese Änderungen im Produktspektrum zu verstehen, wurden MD Simulationen durchgeführt. 
Schließlich wurde die Untersuchung des Protonentransfers in katalytischen Cystein Histidin Dyaden durchgeführt. Hierbei stand der Einfluss der Relaxation der Proteinumgebung auf diese Reaktion im Fokus. Berechnungen in den Enzymen FadA5 und Rhodesain zeigten, dass der präferierte Protonierungszustand der Diade von der Proteinumgebung abhängt und einen großen Einfluss auf die Reaktionsbarriere hat. Um dynamische Effekte einzubeziehen, wurde die Adaption der Umgebung auf einen fixierten Protonierungszustand mittels MD Simulationen analysiert.
KW  - Computational chemistry
KW  - Molekularbewegung
KW  - QM/MM
KW  - proteins
KW  - covalent and non-covalent inhibitors
KW  - Protonentransfer
KW  - Enzyminhibitor
KW  - molecular dynamics
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170511
ER  - 
TY  - THES
A1  - Merget, Benjamin
T1  - Computational methods for assessing drug-target residence times in bacterial enoyl-ACP reductases and predicting small-molecule permeability for the \(Mycobacterium\)  \(tuberculosis\) cell wall
T1  - Computermethoden zur Bestimmung von Protein-Ligand Verweilzeiten in bakteriellen Enoyl-ACP Reduktasen und Vorhersage der Permeabilitätswahrscheinlichkeit kleiner Moleküle gegenüber der \(Mycobacterium\)  \(tuberculosis\) Zellwand
N2  - \textbf{Molecular Determinants of Drug-Target Residence Times of Bacterial Enoyl-ACP Reductases.} Whereas optimization processes of early drug discovery campaigns are often affinity-driven, the drug-target residence time $t_R$ should also be considered due to an often strong correlation with \textit{in vivo} efficacy of compounds. However, rational optimization of $t_R$ is not straightforward and generally hampered by the lack of structural information about the transition states of ligand association and dissociation. The enoyl-ACP reductase FabI of the fatty acid synthesis (FAS) type II is an important drug-target in antibiotic research. InhA is the FabI enzyme of \textit{Mycobacterium tuberculosis}, which is known to be inhibited by various compound classes. Slow-onset inhibition of InhA is assumed to be associated with the ordering of the most flexible protein region, the substrate binding loop (SBL). Diphenylethers are one class of InhA inhibitors that can promote such SBL ordering, resulting in long drug-target residence times. Although these inhibitors are energetically and kinetically well characterized, it is still unclear how the structural features of a ligand affect $t_R$.

Using classical molecular dynamics (MD) simulations, recurring conformational families of InhA protein-ligand complexes were detected and structural determinants of drug-target residence time of diphenyl\-ethers with different kinetic profiles were described. This information was used to deduce guidelines for efficacy improvement of InhA inhibitors, including 5'-substitution on the diphenylether B-ring. The validity of this suggestion was then analyzed by means of MD simulations.

Moreover, Steered MD (SMD) simulations were employed to analyze ligand dissociation of diphenylethers from the FabI enzyme of \textit{Staphylococcus aureus}. This approach resulted in a very accurate and quantitative linear regression model of the experimental $ln(t_R)$ of these inhibitors as a function of the calculated maximum free energy change of induced ligand extraction. This model can be used to predict the residence times of new potential inhibitors from crystal structures or valid docking poses.

Since correct structural characterization of the intermediate enzyme-inhibitor state (EI) and the final state (EI*) of two-step slow-onset inhibition is crucial for rational residence time optimization, the current view of the EI and EI* states of InhA was revisited by means of crystal structure analysis, MD and SMD simulations. Overall, the analyses affirmed that the EI* state is a conformation resembling the 2X23 crystal structure (with slow-onset inhibitor \textbf{PT70}), whereas a twist of residues Ile202 and Val203 with a further opened helix $\alpha 6$ corresponds to the EI state. Furthermore, MD simulations emphasized the influence of close contacts to symmetry mates in the SBL region on SBL stability, underlined by the observation that an MD simulation of \textbf{PT155} chain A with chain B' of a symmetry mate in close proximity of the SBL region showed significantly more stable loops, than a simulation of the tetrameric assembly. Closing Part I, SMD simulations were employed which allow the delimitation of slow-onset InhA inhibitors from rapid reversible ligands.

\textbf{Prediction of \textit{Mycobacterium tuberculosis} Cell Wall Permeability.} The cell wall of \textit{M. tuberculosis} hampers antimycobacterial drug design due to its unique composition, providing intrinsic antibiotic resistance against lipophilic and hydrophilic compounds. To assess the druggability space of this pathogen, a large-scale data mining endeavor was conducted, based on multivariate statistical analysis of differences in the physico-chemical composition of a normally distributed drug-like chemical space and a database of antimycobacterial--and thus very likely permeable--compounds. The approach resulted in the logistic regression model MycPermCheck, which is able to predict the permeability probability of small organic molecules based on their physico-chemical properties. Evaluation of MycPermCheck suggests a high predictive power. The model was implemented as a freely accessible online service and as a local stand-alone command-line version.

Methodologies and findings from both parts of this thesis were combined to conduct a virtual screening for antimycobacterial substances. MycPermCheck was employed to screen the chemical permeability space of \textit{M. tuberculosis} from the entire ZINC12 drug-like database. After subsequent filtering steps regarding ADMET properties, InhA was chosen as an exemplary target. Docking to InhA led to a principal hit compound, which was further optimized. The quality of the interaction of selected derivatives with InhA was subsequently evaluated using MD and SMD simulations in terms of protein and ligand stability, as well as maximum free energy change of induced ligand egress. The results of the presented computational experiments suggest that compounds with an indole-3-acethydrazide scaffold might constitute a novel class of InhA inhibitors, worthwhile of further investigation.
N2  - \textbf{Molekulare Determinanten von Wirkstoff-Angriffsziel Verweilzeiten bakterieller Enoyl-ACP Reduktasen.} In frühen Phasen der Wirkstoffentwicklung sind Optimierungsprozesse häufig affini\-täts\-geleitet. Darüber hinaus sollte zusätzlich die Wirkstoff-Angriffsziel Verweilzeit $t_R$ berücksichtigt werden, da diese oft eine starke Korrelation zur \textit{in vivo} Wirksamkeit der Substanzen aufweist. Rationale Optimierung von $t_R$ ist jedoch auf Grund eines Mangels an struktureller Information über den Übergangszustand der Ligandbindung und Dissoziierung nicht einfach umsetzbar. Die Enoyl-ACP Reduktase FabI der Fettsäurebio\-synthese (FAS) Typ II ist ein wichtiger Angriffspunkt in der Antibiotikaforschung. InhA ist das FabI Enzym des Organismus \textit{Mycobacterium tuberculosis} und kann durch Substanzen diverser Klassen gehemmt werden. Es wird vermutet, dass Hemmung von InhA durch langsam-bindende (``slow-onset'') Inhibitoren mit der Ordnung der flexibelsten Region des Enzyms assoziiert ist, dem Substratbindungsloop (SBL). Diphenylether sind eine InhA Inhibitorenklasse, die eine solche SBL Ordnung fördern und dadurch lange Verweilzeiten im Angriffsziel aufweisen. Obwohl diese Inhibitoren energetisch und kinetisch gut charakterisiert sind, ist noch immer unklar, wie die strukturellen Eigenschaften eines Liganden $t_R$ beeinflussen.

Durch die Verwendung klassischer Molekulardynamik (MD) Simulationen wurden wiederkehrende Konformationsfamilien von InhA Protein-Ligand Komplexen entdeckt und strukturelle Determinanten der Wirkstoff-Angriffsziel Verweilzeit von Diphenylethern mit verschiedenen kinetischen Profilen beschrieben. Anhand dieser Ergebnisse wurden Richtlinien zur Wirksamkeitsoptimierung von InhA Inhibitoren abgeleitet, einschließlich einer 5'-Substitution am Diphenylether B-Ring. Die Validität dieses Vorschlags wurde mittels MD Simulationen nachfolgend analysiert.

Darüber hinaus wurden ``Steered MD'' (SMD) Simulationen als MD Technik für umfangreicheres Sampling verwendet um die Liganddissoziation von Diphenylethern aus dem FabI Enzym von \textit{Staphylococcus aureus} zu untersuchen. Dieser Ansatz resultierte in einem sehr akkuraten, quantitativen linearen Regressionsmodell der experimentellen Verweilzeit $ln(t_R)$ dieser Inhibitoren als Funktion der berechneten maximalen freien Energieänderung induzierter Ligandextraktion. Dieses Modell kann genutzt werden um die Verweilzeiten neuer potentieller Inhibitoren aus Kristallstrukturen oder validen Dockingposen vorherzusagen.

Die korrekte strukturelle Charakterisierung des intermediären und des finalen Zustandes (EI und EI*-Zustand) eines Enzym-Inhibitor Komplexes bei einem zweistufigen Inhibitionsmechanismus durch langsam-bindende Hemmstoffe ist essentiell für rationale Verweilzeitoptimierung. Daher wurde die gegenwärtige Ansicht des EI und EI*-Zustandes von InhA mittels Kristallstrukturanalyse, MD und SMD Simulationen erneut aufgegriffen. Insgesamt bestätigten die Analysen, dass der EI*-Zustand einer Konformation ähnlich der 2X23 Kristallstruktur (mit langsam-bindenden Inhibitor \textbf{PT70}) gleicht, während eine Drehung der Reste Ile202 und Val203 mit einer weiter geöffneten Helix $\alpha 6$ dem EI-Zustand entspricht. Des Weiteren zeigten MD Simulationen den Einfluss naher Kristallkontakte zu Symmetrie-Nachbarn in der SBL Region auf die SBL Stabilität. Dies wird durch die Beobachtung hervorgehoben, dass die Ketten A und B' eines InhA-\textbf{PT155}-Komplexes und des angrenzenden Symmetrie-Nachbars, welche in engem Kontakt in der SBL Region stehen, signifikant stabilere SBLs aufweisen, als die Ketten A und B in einer Simulation des Tetramers. Zum Abschluss von Teil I wurden SMD Simulationen angewandt, auf deren Basis es möglich war, langsam-bindende InhA Inhibitoren von schnell-reversiblen (``rapid reversible'') Liganden zu unterscheiden.

\textbf{Vorhersage von \textit{Mycobacterium tuberculosis} Zellwand Permeabilität.} Die Zellwand von \textit{M.~tuberculosis} erschwert die antimycobakterielle Wirkstofffindung auf Grund ihrer einzigartigen Zusammensetzung und bietet eine intrinsische Antibiotikaresistenz gegenüber lipophilen und hydrophilen Substanzen. Um den chemischen Raum wirkstoffähnlicher Moleküle gegen diesen Erreger (``Druggability Space'') einzugrenzen, wurde eine groß angelegte Dataminingstudie durchgeführt, welche auf multivariater statistischer Analyse der Unterschiede der physikochemischen Zusammensetzung eines normalverteilten wirkstoffähnlichen chemischen Raumes und einer Datenbank von antimycobakteriellen -- und somit höchstwahrscheinlich permeablen -- Substanzen beruht. Dieser Ansatz resultierte in dem logistischen Regressionsmodell MycPermCheck, welches in der Lage ist die Permeabilitätswahrscheinlichkeit kleiner organischer Moleküle anhand ihrer physikochemischen Eigenschaften vorherzusagen. Die Evaluation von MycPermCheck deutet auf eine große Vorhersagekraft hin. Das Modell wurde als frei zugänglicher online Service und als lokale Kommandozeilenversion implementiert.

Methodiken und Ergebnisse aus beiden Teilen dieser Dissertation wurden kombiniert um ein virtuelles Screening nach antimycobakteriellen Substanzen durchzuführen. Myc\-PermCheck wurde verwendet um den chemischen Permeabilitätsraum von \textit{M.~tuberculosis} anhand der gesamten ZINC12 Datenbank wirkstoffähnlicher Moleküle abzuschätzen. Nach weiteren Filterschritten mit Bezug auf ADMET Eigenschaften, wurde InhA als exemplarisches Angriffsziel ausgewählt. Docking nach InhA führte schließlich zu einer Treffersubstanz, welche in darauffolgenden Schritten weiter optimiert wurde. Die Interaktionsqualität ausgewählter Derivate mit InhA wurde daraufhin mittels MD und SMD Simulationen in Bezug auf Protein und Ligand Stabilität, sowie auch der maximalen freien Energieänderung induzierter Ligandextraktion, untersucht. Die Ergebnisse der vorgestellten computerbasierten Experimente legen nahe, dass Substanzen mit einem Indol-3-Acethydrazid Gerüst eine neuartige Klasse von InhA Inhibitoren darstellen könnten. Weiterführende Untersuchungen könnten sich somit als lohnenswert erweisen.
KW  - Computational chemistry
KW  - Arzneimitteldesign
KW  - Molekulardynamik
KW  - Permeabilität
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Computational drug-design
KW  - steered molecular dynamics
KW  - molecular dynamics
KW  - residence time
KW  - mycobacterium tuberculosis
KW  - staphylococcus aureus
KW  - permeability
KW  - InhA
KW  - FabI
KW  - Enoyl-acyl-carrier-protein-Reductase <Enoyl-[acyl-carrier-protein]-Reductase>
KW  - Drug design
KW  - Computational chemistry
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-127386
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TY  - THES
A1  - Paasche, Alexander
T1  - Mechanistic Insights into SARS Coronavirus Main Protease by Computational Chemistry Methods
T1  - Mechanistische Einblicke in die SARS Coronavirus Hauptprotease mit computerchemischen Methoden
N2  - The SARS virus is the etiological agent of the severe acute respiratory syndrome, a deadly disease that caused more than 700 causalities in 2003. One of its viral proteins, the SARS coronavirus main protease, is considered as a potential drug target and represents an important model system for other coronaviruses. Despite extensive knowledge about this enzyme, it still lacks an effective anti-viral drug. Furthermore, it possesses some unusual features related to its active-site region. This work gives atomistic insights into the SARS coronavirus main protease and tries to reveal mechanistic aspects that control catalysis and inhibition. Thereby, it applies state-of-the-art computational methods to develop models for this enzyme that are capable to reproduce and interpreting the experimental observations. The theoretical investigations are elaborated over four main fields that assess the accuracy of the used methods, and employ them to understand the function of the active-site region, the inhibition mechanism, and the ligand binding. The testing of different quantum chemical methods reveals that their performance depends partly on the employed model. This can be a gas phase description, a continuum solvent model, or a hybrid QM/MM approach. The latter represents the preferred method for the atomistic modeling of biochemical reactions. A benchmarking uncovers some serious problems for semi-empirical methods when applied in proton transfer reactions. To understand substrate cleavage and inhibition of SARS coronavirus main protease, proton transfer reactions between the Cys/His catalytic dyad are calculated. Results show that the switching between neutral and zwitterionic state plays a central role for both mechanisms. It is demonstrated that this electrostatic trigger is remarkably influenced by substrate binding. Whereas the occupation of the active-site by the substrate leads to a fostered zwitterion formation, the inhibitor binding does not mimic this effect for the employed example. The underlying reason is related to the coverage of the active-site by the ligand, which gives new implications for rational improvements of inhibitors. More detailed insights into reversible and irreversible inhibition are derived from in silico screenings for the class of Michael acceptors that follow a conjugated addition reaction. From the comparison of several substitution patterns it becomes obvious that different inhibitor warheads follow different mechanisms. Nevertheless, the initial formation of a zwitterionic catalytic dyad is found as a common precondition for all inhibition reactions. Finally, non-covalent inhibitor binding is investigated for the case of SARS coranavirus main protease in complex with the inhibitor TS174. A novel workflow is developed that includes an interplay between theory and experiment in terms of molecular dynamic simulation, tabu search, and X-ray structure refinement. The results show that inhibitor binding is possible for multiple poses and stereoisomers of TS174.
N2  - Das Schwere Akute Respiratorische Syndrom (SARS) wird durch eine Infektion mit dem SARS Virus ausgelöst, dessen weltweite Verbreitung 2003 zu über 700 Todesfällen führte. Die SARS Coronavirus Hauptprotease stellt ein mögliches Wirkstoffziel zur Behandlung dar und hat Modellcharakter für andere Coronaviren. Trotz intensiver Forschung sind bis heute keine effektiven Wirkstoffe gegen SARS verfügbar. Die vorliegende Arbeit gibt Einblicke in die mechanistischen Aspekte der Enzymkatalyse und Inhibierung der SARS Coronavirus Hauptprotease. Hierzu werden moderne computerchemische Methoden angewandt, die mittels atomistischer Modelle experimentelle Ergebnisse qualitativ reproduzieren und interpretieren können. Im Zuge der durchgeführten theoretischen Arbeiten wird zunächst eine Fehlereinschätzung der Methoden durchgeführt und diese nachfolgend auf Fragestellungen zur aktiven Tasche, dem Inhibierungsmechanismus und der Ligandenbindung angewandt. Die Einschätzung der quantenchemischen Methoden zeigt, dass deren Genauigkeit teilweise von der Umgebungsbeschreibung abhängt, welche als Gasphasen, Kontinuum, oder QM/MM Modell dargestellt werden kann. Letzteres gilt als Methode der Wahl für die atomistische Modellierung biochemischer Reaktionen. Die Vergleiche zeigen für semi-empirische Methoden gravierende Probleme bei der Beschreibung von Proton-Transfer Reaktionen auf. Diese wurden für die katalytische Cys/His Dyade betrachtet, um Einblicke in Substratspaltung und Inhibierung zu erhalten. Dem Wechsel zwischen neutralem und zwitterionischem Zustand konnte hierbei eine zentrale Bedeutung für beide Prozesse zugeordnet werden. Es zeigt sich, dass dieser „electrostatic trigger“ von der Substratbindung, nicht aber von der Inhibitorbindung beeinflusst wird. Folglich beschleunigt ausschließlich die Substratbindung die Zwitterionbildung, was im Zusammenhang mit der Abschirmung der aktiven Tasche durch den Liganden steht. Dies gibt Ansatzpunkte für die Verbesserung von Inhibitoren. Aus in silico screenings werden genauere Einblicke in die reversible und irreversible Inhibierung durch Michael-Akzeptor Verbindungen gewonnen. Es wird gezeigt, dass unterschiedlichen Substitutionsmustern unterschiedliche Reaktionsmechanismen in der konjugierten Additionsreaktion zugrunde liegen. Die vorangehende Bildung eines Cys-/His+ Zwitterions ist allerdings für alle Inhibierungsmechanismen eine notwendige Voraussetzung. Letztendlich wurde die nicht-kovalente Bindung eines Inhibitors am Beispiel des TS174-SARS Coronavirus Hauptprotease Komplexes untersucht. Im Zusammenspiel von Theorie und Experiment wurde ein Prozess, bestehend aus Molekulardynamik Simulation, Tabu Search und Röntgenstruktur Verfeinerung ausgearbeitet, der eine Interpretation der Bindungssituation von TS174 ermöglicht. Im Ergebnis zeigt sich, dass der Inhibitor gleichzeitig in mehreren Orientierungen, als auch in beiden stereoisomeren Formen im Komplex vorliegt.
KW  - SARS
KW  - Inhibitor
KW  - Enzym
KW  - Computational chemistry
KW  - Coronaviren
KW  - SARS
KW  - Protease
KW  - Mechanismus
KW  - Inhibitor
KW  - Computerchemie
KW  - SARS
KW  - protease
KW  - mechanism
KW  - inhibitor
KW  - computational chemistry
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79029
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TY  - THES
A1  - Grebner, Christoph
T1  - New Tabu-Search Algorithms for the Exploration of Energy Landscapes of Molecular Systems
T1  - Neue Tabu-Search Algorithmen zur Untersuchung von Energielandschaften molekularer Systeme
N2  - The visualization of energy functions is based on the possibility of separating different degrees of freedom. The most important one is the Born-Oppenheimer-approximation, which separates nucleus and electron movements. This allows the illustration of the potential energy as a function of the nuclei coordinates. Minima of the surface correspond to stable points like isomers or conformers. They are important for predicting the stability or thermodynamical of a system. Stationary points of first order correspond to transition points. They describe phase transitions, chemical reaction, or conformational changes. Furthermore, the partition function connects the potential hypersurface to the free energy of the system. The aim of the present work is the development and application of new approaches for the efficient exploration of multidimensional hypersurfaces. Initially, the Conformational Analysis and Search Tool (CAST) program was developed to create a basis for the new methods and algorithms. The development of CAST in object oriented C++ included, among other things, the implementation of a force field, different interfaces to external programs, analysis tools, and optimization libraries. Descriptions of an energy landscape require knowledge about the most stable minima. The Gradient Only Tabu Search (GOTS) has been shown to be very efficient in the optimization of mathematical test functions. Therefore, GOTS was taken as a starting point. Tabu-Search is based on the steepest descent - modest ascent strategy. The steepest descent is used for finding local minima, while the modest ascent is taken for leaving a minimum quickly. Furthermore, Tabu-Search is combined with an adaptive memory design to avoid cycling or returning. The highly accurate exploration of the phase space by Tabu-Search is often too expensive for complex optimization problems. Therefore, an algorithm for diversification of the search is required. After exploration of the proximity of the search space, the algorithm would guide the search to new and hopefully promising parts of the phase space. First application of GOTS to conformational search revealed weaknesses in the diversification search and the modest ascent part. On the one hand, the original methodology for diversification is insufficiently diverse. The algorithm is considerably improved by combining the more local GOTS with the wider searching Basin Hopping (BH) approach. The second weak point is a too inaccurate and inefficient modest ascent strategy. Analysis of common transition state search algorithms lead to the adaption of the Dimer-method to the Tabu-Search approach. The Dimer-method only requires the first derivatives for locating the closest transition state. For conformational search, dihedral angles are usually the most flexible degrees of freedom. Therefore, only those are used in the Dimer-method for leaving a local minimum. Furthermore, the exact localization of the reaction pathway and the transition state is not necessary as the local minimum position should only be departed as fast as possible. This allows for larger step sizes during the Dimer-search. In the following optimization step, all coordinates are relaxed to remove possible strains in the system. The new Tabu-Search method with Dimer-search delivers more and improved minima. Furthermore, the approach is faster for larger systems. For a system with approximately 1200 atoms, an acceleration of 40 was measured. The new approach was compared to Molecular Dynamics with optimization (MD), Simulated Annealing (SA), and BH with the help of conformational search problems of bio-organic systems. In all cases, a better performance was found. A comparison to the Monte Carlo Multiple Minima/Low Mode Sampling (MCMM/LM) method proved the outstanding performance of the new Tabu-Search approach. The solvation of the chignolin protein further revealed the possibility of uncovering discrepancies between the employed theoretical model and the experimental starting structure. Ligand optimization for improvement of x-ray structures was one further new application field. Besides the global optimization, the search for transition states and reaction pathways is also of paramount importance. These points describe different transitions of stable states. Therefore, a new approach for the exploration of such cases was developed. The new approach is based on a global minimization of a hyperplane being perpendicular to the reaction coordinate. Minima of this reduced phase space belong to traces of transition states between reactant and product states on the unchanged hypersurface. Optimization to the closest transition state using the Dimer-method delivers paths lying between the initial and the final state. An iterative approach finally yields complex reaction pathways with many intermediate local minima. The PathOpt algorithm was tested by means of rearrangements of argon clusters showing very promising results.
N2  - Die visuelle Darstellung von Energiefunktionen basiert auf der Möglichkeit, verschiedene Freiheitsgrade zu separieren. Die wichtigste Näherung ist dabei die Born-Oppenheimer-Näherung. Sie erlaubt damit die Darstellung der potentiellen Energie als Funktion der Kernkoordinaten. Die daraus entstehende mehrdimensionale Hyperfläche entspricht der Summenformel eines beliebigen Systems. Minima der Fläche entsprechen stabilen Punkten wie Isomeren oder Konformeren. Diese sind wichtig für Aussagen über die Stabilität oder die Thermodynamik eines Systems. Stationäre Punkte erster Ordnung entsprechen Übergangsstrukturen und beschreiben Phasenübergänge, chemische Reaktionen aber auch Konformationsänderungen. Über die Zustandssumme ist die Hyperfläche zudem mit der freien Energie verknüpft. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung neuer Methoden zur effizienten Untersuchung mehrdimensionaler Hyperflächen. Dabei wurde zunächst das Conformational Analysis and Search Tool (CAST)-Programm entwickelt. Die Entwicklung des CAST-Programms in objektorientiertem C++ beinhaltete unter anderem die Implementierung eines Kraftfeldes, verschiedene Schnittstellen zu externen Programmen, Analysealgorithmen und verschiedene Optimierungsmodule. Um Aussagen über eine Energielandschaft treffen zu können, müssen zuerst die stabilsten Minima gefunden werden. Der Gradient Only Tabu Search (GOTS) hat sich als sehr effizient in der Optimierung von mathematischen Funktionen erwiesen. Daher wurde GOTS als Startpunkt verwendet. Tabu-Search basiert auf dem steepest descent – modest ascent Prinzip. Zum Finden neuer Minima wird der steilste Abstieg (steepest descent) verwendet, ein Minimum wird auf dem Weg des geringsten Anstiegs (modest ascent) wieder verlassen. Tabu-Search ist zudem mit einem lernfähigen Speicherdesign kombiniert, wodurch ein Zurück- und im Kreis laufen vermieden wird. Der Phasenraum wird von Tabu-Search sehr genau untersucht, was für komplexere Probleme zu aufwendig wird. Daher bedarf es eines Diversifizierungsschritts, welcher nach Absuchen eines Teils des Phasenraums, die Suche in neue vielversprechende Bereiche bringt. Erste Anwendungen auf Konformationssuchen zeigten, dass GOTS Schwächen im Diversifizierungsschritt und der modest ascent Strategie besitzt. Zum einen ist die ursprünglich verwendete Methodik für die Diversifizierung zu wenig divers. Eine Kombination des mehr lokalen GOTS mit der weiträumiger suchenden Basin Hopping (BH) Methode brachte eine erhebliche Verbesserung. Der zweite Schwachpunkt besteht aus einer zu ungenauen und ineffizienten modest ascent Methode. Daher wurde die Dimer-Methode für Tabu-Search adaptiert. Diese benötigt lediglich die erste Ableitung, um zum Übergangszustand erster Ordnung zu konvergieren. Dabei werden in der Dimer-Methode nur Diederwinkel variiert. Zudem muss der Reaktionspfad und der Übergangszustand nicht exakt getroffen werden, da das Minimum nur möglichst schnell verlassen werden soll. Dies erlaubt größere Schrittweiten in der Dimer-Suche. Im nachfolgenden Optimierungsschritt werden alle Koordinaten relaxiert. Die neue Tabu-Search-Methode mit Dimer-Suche liefert mehr und deutlich verbesserte Minima. Zudem ist sie für größere Systeme deutlich schneller. Für ein System mit circa 1200 Atomen wurde eine Beschleunigung um den Faktor 40 erzielt. Die neue Methode wurde am Beispiel der Konformationssuche von bio-organischen Systemen mit Molekulardynamik mit Optimierung (MD), Simulated Annealing (SA) und BH verglichen, wobei sich in allen Fällen eine bessere Effizienz zeigte. Ein Vergleich zur Monte Carlo Multiple Minima/Low Mode Sampling Methode anhand der Optimierung von peptidischen Ligand-Rezeptor-Komplexen belegte ebenfalls die hervorragende Effizienz des neuen Ansatzes. Die Solvatisierung des Chignolin-Proteins mit Tabu-Search deckte die Möglichkeit auf, Differenzen zwischen der verwendeten theoretischen Methode und der experimentellen Startstruktur aufzudecken. Als weiterer neuer Anwendungsbereich wurde die Optimierung von Ligand-Enzym-Komplexen zur Verbesserung von Röntgenstrukturen untersucht. Neben der globalen Optimierung ist auch die Suche nach Übergangszuständen und Reaktionspfaden von größter Wichtigkeit. Diese beschreiben verschiedene Übergänge zwischen stabilen Zuständen. Daher wurde ein neuer Ansatz zur Untersuchung dieser Fragestellungen entwickelt. Dieser basiert auf einer globalen Minimierung einer Hyperfläche, welche senkrecht zum Reaktionspfad steht. Die Minima des reduzierten Phasenraums gehören zu Spuren zu Übergangszuständen zwischen dem Edukt und dem Produkt. Durch Optimierung dieser Punkte mittels der Dimer-Methode werden also Pfade gefunden, die zwischen Anfangs- und Endpunkt liegen. Ein iteratives Vorgehen liefert letztendlich komplexe Reaktionspfade. PathOpt wurde an Umlagerungen von Argon-Clustern evaluiert, welche sehr vielversprechende Ergebnisse lieferten.
KW  - Globale Optimierung
KW  - Kraftfeld-Rechnung
KW  - Übergangszustand
KW  - Computational chemistry
KW  - Tabu-Search
KW  - Methodenentwicklung
KW  - Dimermethode
KW  - Basin-Hopping
KW  - Energielandschaft
KW  - Theoretische Chemie
KW  - Tabu-Search
KW  - method development
KW  - dimer method
KW  - basin hopping
KW  - energy landscapes
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75591
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