第一原理からのタンパク質間タンパク質標準結合自由エネルギーの効率的な決定

タンパク質 - タンパク質関連を定量的に特徴付けることは、コンピューターシミュレーションにとって長年の課題です。ここでは、明示的な溶媒を使用した詳細な全原子分子動力学シミュレーションに基づいて、この課題に対処する理論的枠組みが提示されます。提案された方法論は、平均力（PMF）フリーエネルギー計算の独立したポテンシャルに依存しており、適切に選択されたバイアスティング電位を使用して、結合状態の立体構造、位置、方向に生物学的オブジェクトが抑制されます。これらの拘束は、システムが利用できる構成エントロピーを体系的に絞り込み、2つのタンパク質が可逆的に関連するように関連する相互作用のネットワークが適切にサンプリングされることを効果的に保証します。タンパク質複合体と個々の非結合パートナーの両方について、結合プロセスを連続した、明確に顕著な段階に分解し、標準状態の厳密な定義を提供し、そこから絶対結合自由エネルギーを決定できます。この方法は、細胞外リボヌクレアーゼバルナーゼの困難なケースにその細胞内阻害剤Barstarに結合します。計算された結合自由エネルギーは-21.0±1.4 kcal/molであり、これは-19.0±0.2 kcal/molの実験値とよく比較されます。比較的小さな統計的誤差は、PMFベースのシミュレーション方法論によって得られる精度と収束を反映しています。提案された戦略は、標準的な結合自由エネルギーの正確な再現を提供することに加えて、タンパク質間界面の詳細な画像を提供し、可逆的関連の根底にある熱力学的力を明らかにします。現在の正式なフレームワークのバルナーゼへの適用：barstar結合は、ほぼすべてのタンパク質間 - タンパク質複合体に取り組むための基盤を提供します。

Characterizing protein-protein association quantitatively has been a longstanding challenge for computer simulations. Here, a theoretical framework is put forth that addresses this challenge on the basis of detailed all-atom molecular dynamics simulations with explicit solvent. The proposed methodology relies upon independent potential of mean force (PMF) free-energy calculations carried out sequentially, wherein the biological objects are restrained in the conformation, position and orientation of the bound state, using adequately chosen biasing potentials. These restraints systematically narrow down the configurational entropy available to the system and effectively guarantee that the relevant network of interactions is properly sampled as the two proteins reversibly associate. Decomposition of the binding process into consecutive, well-delineated stages, for both the protein complex and the individual, unbound partners, offers a rigorous definition of the standard state, from which the absolute binding free energy can be determined. The method is applied to the difficult case of the extracellular ribonuclease barnase binding to its intracellular inhibitor barstar. The calculated binding free energy is -21.0 ± 1.4 kcal/mol, which compares well with the experimental value of -19.0 ± 0.2 kcal/mol. The relatively small statistical error reflects the precision and convergence afforded by the PMF-based simulation methodology. In addition to providing an accurate reproduction of the standard binding free energy, the proposed strategy offers a detailed picture of the protein-protein interface, illuminating the thermodynamic forces that underlie reversible association. The application of the present formal framework to barnase:barstar binding provides a foundation for tackling nearly any protein-protein complex.