KR102039793B1 - A Method for Predicting a Binding of Biological Molecules - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u ) 및 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(

Figure 112017103950415-pat00096
)을 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자유에너지 측정을 통해 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 결합여부를 예측하는 방법을 제공하며, 이를 통해 생체 내(in vivo)와 같은 수성 환경에서 분자들 간의 결합 가능성을 왜곡 없이 높은 신뢰도로 정량 측정할 수 있어, 컴퓨터 상에서 질환 치료제를 스크리닝하거나 디자인하는 도구로서 유용하게 적용될 수 있다. According to the present invention, the amount of change in effective binding free energy ( f u ) and standard binding free energy between the first molecule and the second molecule in an aqueous environment (
Figure 112017103950415-pat00096
) Is a method of measuring. The present invention also provides a method for predicting the binding of a first molecule and a second molecule in an aqueous environment through free energy measurement, thereby determining the possibility of binding between molecules in an aqueous environment such as in vivo . It can be quantitatively measured with high reliability without distortion, and can be usefully applied as a tool for screening or designing a disease therapeutic agent on a computer.

Figure 112017103950415-pat00098
Figure 112017103950415-pat00098

Description

생체분자의 결합여부 예측방법{A Method for Predicting a Binding of Biological Molecules}A Method for Predicting a Binding of Biological Molecules

본 발명은 생체분자 간의 접촉면에 존재하는 물 분자의 동력학적 및 열역학적 특성을 조사함으로써 상기 생체분자의 결합 형성여부를 예측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the formation of bonds of biomolecules by investigating the dynamic and thermodynamic properties of water molecules present on the interface between biomolecules.

물은 활발하면서도 필수불가결한 세포의 구성요소이다. 생체분자의 구조 및 동력학을 결정하고 그들 간의 상호작용을 매개하는 데 있어서의 물의 다양한 역할을 이해하는 것은 매우 중요하다1 - 3. 생체 조직에서 물의 다양한 기능은 어떤 생체분자와 상호작용하느냐에 따라 스스로의 특성을 변화시키는 능력에서 비롯된다. 예를 들어, 물의 DNA 서열-의존적인 수화 경향은 서열-특이적“수화 지문(hydration fingerprint)”으로 기능한다4; 기질이 효소에 결합하는 과정에서의 물 동력학의 변화는 단백질-리간드 인식에서 중요한 역할을 하며5, 트랜스로콘(translocon) 내부에서 물의 비-벌크(non-bulk) 행동은 트랜스로콘에서부터 막까지의 소수성 영역을 분할하는 데에 큰 영향을 끼친다6. 그러나, 최근 생체분자 주변의 수화 물(hydrating water)의 행동에 대한 이해가 유의하게 진척하였음에도 불구하고7 -14, 두 생체분자 사이에 위치한 물분자가 두 결합표면 간의 상호작용을 통해 어느 정도로 변형되고 이들 변형된 물 분자가 어느 정도 결합 친화도에 영향을 미치는지는 아직까지 설명되지 못하고 있다. 이와 관련하여 물-매개 접촉이 실질적으로 단백질-단백질 직접접촉을 보완함으로써 생체분자 인식을 위한 추가적인 층(layer)를 제공한다고 제안되어왔다15 , 16. 접촉면 물 분자가 매개하는 상호작용을 적절하게 기술하는 것이 중요한데, 실제로 최근 컴퓨터 연구는 단백질-단백질 상호작용18 및 단백질-리간드 결합19에 있어서 핵심적인 접촉면 물(interfacial water)을 명확하게 분석하는 것이 중요하다고 보고하였다: 예를 들어, 접촉면 물 분자는 단백질-단백질 결합 친화도에 영향을 미치는 돌연변이에서 관찰되는 경향성을 파악하는 데 중요하며18, 다른 연구에서는 물분자수(N wat) 30-70 범위에서 접촉면 물 분자를 고려함으로써 N wat의 최적 값이 특유의 시스템에 좌우되는 4개의 상이한 시스템에서의 결합 친화도 실험값과의 관련성을 유의하게 증가시켰다19. 그러나, 이러한 핵심적인 접촉면 물 분자와 다른 물분자들과 어떻게 구분할 것이며, 단백질-단백질 복합체 형성 시 나타나는 접촉면 물 분자에 다른 구별되는 특징이 있는지가 불분명하다.Water is an active and indispensable component of cells. Understanding the different roles of water in determining the structure and dynamics of biomolecules and mediate interactions between them is very important 1 - 3. The various functions of water in biological tissues stem from their ability to change their properties depending on which biomolecules they interact with. For example, the DNA sequence-dependent hydration tendency of water functions as a sequence-specific “hydration fingerprint” 4 ; Changes in water dynamics in the course of the substrate is bonded to the enzyme protein-ligand recognizing the important and 5, Trans to cone (translocon) water ratio in the internal-bulk (non-bulk) action ranging from cone trans membrane This greatly affects the partitioning of hydrophobic regions of six . However, in recent years, despite the significant advance understanding of the behavior of a living body hydration water (hydrating water) around the molecule, and 7-14, two water molecules in between the biomolecule has been modified to a certain extent by the interaction between the two bonding surfaces The extent to which these modified water molecules affect the binding affinity has not yet been explained. In this regard, water-mediated contact has been proposed to provide additional layers for biomolecule recognition by substantially complementing protein-protein direct contact 15 , 16 . It is important to adequately describe the interactions mediated by contact water molecules, and in fact, recent computer research is important to clearly analyze the interfacial water, which is critical for protein-protein interactions 18 and protein-ligand binding 19 . For example, contact surface water molecules are important for identifying trends observed in mutations affecting protein-protein binding affinity, 18 and in other studies contact surface in the range of water molecules ( N wat ) 30-70. The consideration of water molecules significantly increased the relevance to the binding affinity experimental values in four different systems where the optimal value of N wat depends on the unique system 19 . However, it is unclear how to distinguish these key contact surface water molecules from other water molecules, and whether there are other distinguishing features of the contact surface water molecules that appear during protein-protein complex formation.

본 발명자들은 바르나제-바스타(barnase-barstar) 복합체에서, 접촉면 물의 동력학적 및 열역학적 특성을 조사하였다15. X-레이 측정은 결합표면 사이의 간극을 채우는 물의 존재를 알려주기 때문에15 , 20, 이는 단백질-단백질 상호작용 연구에 있어 잘 알려진 패러다임이며, 접촉면 물분자를 분석하는 이상적인 방법이다. 본 발명자들은 접촉면 물분자의 동력학적인 특성을 분석하기 위하여 분자 동력학 시뮬레이션을 수행하였다. 본 발명자들은 수소결합의 재배열에 주목하였는데, 이는 단백질-단백질 결합 표면이 대부분 극성 및 전하를 띄는 잔기로 이루어져 있다는 점에서 단백질-물 상호작용에 있어 가장 중요하다21.We investigated the dynamic and thermodynamic properties of contact surface water in the varnase-barstar complex 15 . X-ray measurement reveals the presence of water that fills the gap between the binding surfaces 15 , 20 , which is a well-known paradigm in the study of protein-protein interactions and is an ideal method for analyzing contact surface water molecules. We performed molecular dynamics simulations to analyze the dynamic properties of contact surface water molecules. The inventors noted the rearrangement of hydrogen bonds, which is most important for protein-water interactions in that the protein-protein binding surface consists mostly of polar and charged residues 21 .

본 발명자들은 접촉면 물분자의 동력학적 특성을 설명하기 위해 통계적 열역학 분석을 수행하였다. 마지막으로, 본 발명자들은 접촉면 물 동력학이 단백질간 결합 친화도에 미치는 영향을 논의하고자 한다. 본 발명자들은 단백질과 수화 물 동력학 간의 시간 단위의 분리를 전제로 하는 물-매개 상호작용에 대한 통상적인 접근은 접촉면 물의 극도로 느린 동력학 때문에 성공할 수 없다는 사실을 발견하였으며, 이에 이러한 느린 물분자를 생체분자의 필수적인 부분으로 취급하는 것이 중요하다는 사실을 발견하였다. 이에, 본 발명자들은 단백질-단백질 상호작용에서 물의 역할을 동력학적 관점에서 고찰하고자 하였다.We performed statistical thermodynamic analysis to explain the kinetic properties of the contact surface water molecules. Finally, we would like to discuss the effect of contact surface water kinetics on interprotein binding affinity. The inventors have found that conventional approaches to water-mediated interactions that presume the separation of time units between protein and hydrated water kinetics cannot be successful due to the extremely slow kinetics of the contact surface water. We found it important to treat it as an integral part of the molecule. Thus, the present inventors attempted to consider the role of water in protein-protein interactions from a kinetic point of view.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Throughout this specification, many papers and patent documents are referenced and their citations are indicated. The disclosures of cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety, and the level of the technical field to which the present invention belongs and the contents of the present invention are more clearly described.

본 발명자들은 생체 내(in vivo)와 같은 수성 환경에서 두 분자, 예를 들어 단백질 간의 결합 가능성을 정량적으로 측정하는 방법을 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 종래의 물 분자가 배제된 채 두 단백질의 결합 자유에너지 만을 계산하던 방식을 벗어나 두 분자 모두와 수소결합을 형성하는 접촉면 물 분자를 동정하고, 이의 분자 수 및 각 분자의 용매화 자유에너지를 함께 측정함으로써 결합여부에 대한 왜곡 없이 신뢰도 있는 결과의 도출이 가능하다는 사실을 발견함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made extensive efforts to develop a method for quantitatively measuring the binding potential between two molecules, for example, a protein, in an aqueous environment such as in vivo . As a result, the contact surface water molecules that form hydrogen bonds with both molecules are identified, and the number of molecules and the solvation free energy of each molecule are eliminated. The present invention has been completed by discovering that it is possible to obtain reliable results without distortion of coupling by measuring together.

따라서 본 발명의 목적은 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u )를 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for measuring effective binding free energy ( f u ) between a first molecule and a second molecule in an aqueous environment.

본 발명의 다른 목적은 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(

Figure 112017103950415-pat00001
)을 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to change the standard binding free energy of the first and second molecules in an aqueous environment (
Figure 112017103950415-pat00001
It is to provide a method for measuring).

본 발명의 또 다른 목적은 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 결합여부를 예측하는 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for predicting the binding of a first molecule and a second molecule in an aqueous environment.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 제1 분자 및 제2 분자 간에 형성되는 접촉면(interface)에 존재하면서 제1 분자 및 제2 분자 모두와 수소결합을 형성하는 가교 물(bridging water) 단일분자의 벌크 상태에서의 용매화 자유에너지(

Figure 112017103950415-pat00002
); 및 상기 가교 물 단일 분자의 수(n)를 측정하는 단계를 포함하는 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u )를 측정하는 방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, the present invention provides a bridging water single molecule that forms a hydrogen bond with both the first molecule and the second molecule while being present at an interface formed between the first molecule and the second molecule. Solvation free energy in bulk
Figure 112017103950415-pat00002
); And measuring the number ( n ) of the single molecules of the crosslinked water, wherein the effective binding free energy ( f u ) between the first molecule and the second molecule in an aqueous environment is measured. To provide.

본 발명자들은 생체 내(in vivo)와 같은 수성 환경에서 두 분자, 예를 들어 단백질 간의 결합 가능성을 정량적으로 측정하는 방법을 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 종래의 물 분자가 배제된 채 두 단백질의 결합 자유에너지 만을 계산하던 방식을 벗어나 두 분자 모두와 수소결합을 형성하는 접촉면 물 분자를 동정하고, 이의 분자 수 및 각 분자의 용매화 자유에너지를 함께 측정함으로써 결합여부에 대한 왜곡 없이 신뢰도 높은 예측이 가능하다는 사실을 발견하였다. The present inventors have made extensive efforts to develop a method for quantitatively measuring the binding potential between two molecules, for example, a protein, in an aqueous environment such as in vivo . As a result, the contact surface water molecules that form hydrogen bonds with both molecules are identified, and the number of molecules and the solvation free energy of each molecule are eliminated. By measuring together, we found that reliable prediction is possible without distortion of coupling.

본 명세서에서 용어 “벌크(bulk) 상태”란 다량의 물 분자끼리 결합을 형성하고 물 이외의 다른 분자와의 결합을 형성하지 않은 상태, 즉 수소결합 등으로 형성된 벌키(bulky)한 물 분자 군집을 이루는 개개의 단일 물 분자의 물리화학적 상태를 의미한다.As used herein, the term “bulk state” refers to a bulky group of water molecules formed by forming a bond between a large amount of water molecules and not forming a bond with a molecule other than water, that is, a hydrogen bond or the like. It refers to the physicochemical state of each single water molecule.

본 명세서에서 용어“용매화 자유에너지(solvation)”는 용질 입자가 일정한 온도를 가진 용매 내로 이동한 후 용질-용매 간 반응을 통해 용액 내에서 용질이 안정한 상태가 되는 과정을 의미하며, “용매화 자유에너지(solvation free energy)”는 용매화 과정에 따른 표준 상태에서의 자유에너지를 의미한다.As used herein, the term “solvation free energy” refers to a process in which solute particles are stabilized in a solution through a solute-solvent reaction after the solute particles move into a solvent having a constant temperature. Solvation free energy ”means free energy at standard state according to the solvation process.

용매화 자유에너지는 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 계산될 수 있으며, 본 발명에서 예시적으로 적용된 적분 및 분해 계산방법은 하기의 보충 실시예에 상세하게 기재되어 있다. The solvation free energy can be calculated through various methods known in the art, and the integration and decomposition calculation methods exemplarily applied in the present invention are described in detail in the following supplementary examples.

본 명세서에서 용어 “결합 자유에너지(binding free energy)”는 유리상태의 두 분자가 결합을 형성하는 과정에 따른 표준 상태에서의 자유에너지를 의미하며, 결합 자유에너지 변화량이 음의 값일 경우 두 분자 간의 결합이 자발적으로 일어남을 의미한다. As used herein, the term “binding free energy” refers to free energy in a standard state according to a process in which two molecules in a free state form a bond, and when the amount of change in binding free energy is negative, It means that union occurs spontaneously.

본 명세서에서 용어“측정”은 특정 데이터를 활용하여 미지의 값을 도출하는 일련의 연역적 및 귀납적 과정을 포괄하는 의미이며, 이에 “계산”,“예측”,“규명”,“결정”과 동일한 의미로 사용된다. 따라서, 본 발명에서 용어 “측정”은 실험적인 계측, 실리코 상의 전산적인 계산 및 이를 토대로 한 복수의 변수 간의 관계 수립을 모두 포함한다. As used herein, the term "measurement" is meant to encompass a series of deductive and inductive processes that derive unknown values using specific data, and therefore have the same meaning as "calculation", "prediction", "determination", "decision". Used as Thus, the term “measurement” in the present invention encompasses both experimental measurements, computational calculations on in silico and establishing relationships between a plurality of variables based thereon.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 방법은 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 기체상 에너지(E u )를 측정하는 단계를 추가적으로 포함한다. According to a specific embodiment of the invention, the method further comprises the step of measuring the gaseous energy ( E u ) of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 방법은 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 용매화 자유 에너지(

Figure 112017103950415-pat00003
)를 측정하는 단계를 추가적으로 포함한다. According to a specific embodiment of the present invention, the process of the present invention provides the solvation free energy of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule (
Figure 112017103950415-pat00003
Further comprising the step of measuring).

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 상기 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u )는 하기 수학식을 이용하여 측정한다: According to a specific embodiment of the present invention, the effective binding free energy ( f u ) between the first molecule and the second molecule is measured using the following equation:

Figure 112017103950415-pat00004
Figure 112017103950415-pat00004

본 발명의 보다 구체적인 구현예에 따르면, 상기 가교 물(bridging water) 단일분자의 벌크 상태에서의 용매화 자유에너지(

Figure 112017103950415-pat00005
); 상기 가교 물 단일 분자의 수(n); 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 기체상 에너지(E u ); 및 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 용매화 자유 에너지(
Figure 112017103950415-pat00006
)는 전산 시뮬레이션을 이용하여 측정된다. According to a more specific embodiment of the present invention, the solvation free energy in the bulk state of the bridging water single molecule (
Figure 112017103950415-pat00005
); Number of the crosslinked water single molecules ( n ); Gas phase energy ( E u ) of the first molecule, the second molecule, and the crosslinked water molecule; And the solvation free energy of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule (
Figure 112017103950415-pat00006
) Is measured using computational simulation.

본 명세서에서 용어 “전산 시뮬레이션(computational simulation)”은 하나 또는 네트워크를 이루는 복수의 전산장비를 이용하여 특정 계(system)의 행동을 수학적 모델링을 통해 예측하고 재현하는 모의실험을 의미한다. 구체적으로는, 상기 전산 시뮬레이션은 분자 동력학 시뮬레이션(Molecular Dynamic Simulation)이다. 분자 동력학 시뮬레이션은 확립된 물리법칙에 따라 원자 또는 분자의 궤적을 수치적으로 계산하고 이들의 물리적 운동을 재현하는 전산 시뮬레이션이다. As used herein, the term “computational simulation” refers to a simulation that predicts and reproduces the behavior of a specific system through mathematical modeling using a plurality of computing devices forming one or a network. Specifically, the computational simulation is molecular dynamic simulation. Molecular dynamics simulation is a computational simulation that numerically calculates the trajectories of atoms or molecules in accordance with established physical laws and reproduces their physical motion.

본 발명의 보다 더 구체적인 구현예에 따르면, 상기 가교 물 단일 분자의 수(n)는 전산 시뮬레이션의 스냅샷을 이용하여 측정한다. According to a more specific embodiment of the invention, the number n of crosslinked water single molecules is determined using a snapshot of computational simulation.

본 발명의 보다 구체적인 구현예에 따르면, 상기 제1 분자 및 제2 분자 중 적어도 하나의 분자는 생체분자이다.According to a more specific embodiment of the present invention, at least one of the first molecule and the second molecule is a biomolecule.

본 명세서에서 용어 “생체분자”는 단백질, 올리고뉴클레오타이드, 다당체 등 생체 내 존재하는 일련의 고분자(macromolecule)를 의미한다. 이러한 고분자는 단량체 유닛이 선형으로 결합된 구조로 이루어져 있으나, 전체적인 3차원 형태는 크기, 구성 잔기의 전하, 소수성, 공유 및 비공유 결합 형성여부 등에 의해 영향을 받는다. As used herein, the term "biomolecule" refers to a series of macromolecules (macromolecule) existing in vivo, such as proteins, oligonucleotides, polysaccharides. These polymers have a structure in which monomer units are linearly bonded, but the overall three-dimensional shape is influenced by the size, charge of constituent residues, hydrophobicity, covalent and non-covalent bond formation, and the like.

본 발명의 보다 더 구체적인 구현예에 따르면, 상기 생체분자는 단백질이다.According to a more specific embodiment of the invention, the biomolecule is a protein.

본 명세서에서 용어 “단백질”은 펩타이드 결합에 의해 아미노산 잔기들이 서로 결합되어 형성된 일련의 고분자(macromolecule)를 의미한다. 단백질은 아미노산 유닛들의 연속적인 결합으로 이루어진 선형의 분자이나, 전체적인 크기, 전체 또는 각 구성 잔기의 전하 및 소수성, 공유·비공유 결합 형성여부 등에 의해 3차원 형태 및 상태 변화 경향이 영향을 받는다. 본 발명은 특정 질환의 진행에 관여하는 타겟 단백질과 시험물질이 특이적으로 결합할 가능성을 정량화함으로써 타겟 단백질을 억제하는 질환 치료제를 컴퓨터 상에서 스크리닝하거나 약물을 디자인하는 데에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 제1 분자와 제2 분자는 각각 타겟 단백질 및 시험물질일 수 있다. The term "protein" as used herein refers to a series of macromolecules (macromolecule) formed by binding amino acid residues to each other by peptide bonds. Proteins are linear molecules composed of consecutive bonds of amino acid units, but their overall size, charge or hydrophobicity of all or each constituent moiety, and covalent and non-covalent bond formation are affected by the three-dimensional shape and state change tendency. The present invention can be applied to screening a computer or designing a drug for a disease therapeutic agent that inhibits a target protein by quantifying the likelihood that the target protein and test substance specifically bind to the progress of a specific disease. Therefore, according to one embodiment of the present invention, the first molecule and the second molecule may be target proteins and test substances, respectively.

본 명세서에서 용어 “시험물질”은 제1 분자인 타겟 단백질과 특이적으로 결합하거나, 또는 결합을 통해 그 활성에 영향을 미치는지 여부를 검사하기 위하여 스크리닝 등에서 이용되는 미지의 후보물질을 의미한다. 상기 시험물질은 화합물, 뉴클레오타이드, 펩타이드 및 천연 추출물을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이어, 시험물질이 처리된 환경에서 타겟 단백질과 시험물질 간의 결합을 측정한 결과 유의한 결합이 형성됨을 시사하는 결합 자유에너지가 도출되면, 시험물질은 질환의 예방 또는 치료용 조성물의 후보물질로 판정될 수 있다.As used herein, the term "test substance" refers to an unknown candidate substance used in screening and the like to specifically bind to a target protein, which is a first molecule, or to determine whether the binding protein affects its activity. The test substance includes, but is not limited to, compounds, nucleotides, peptides and natural extracts. Subsequently, when a binding free energy indicating a significant binding is formed as a result of measuring the binding between the target protein and the test substance in the environment where the test substance is treated, the test substance is determined as a candidate of a composition for preventing or treating a disease. Can be.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 방법을 이용하여 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u )를 측정하는 단계를 포함하는 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(

Figure 112017103950415-pat00007
)을 측정하는 방법을 제공한다. According to another aspect of the invention, the present invention comprises the steps of measuring the effective binding free energy ( f u ) between the first molecule and the second molecule in an aqueous environment using the method of the present invention Change in standard binding free energy of the first and second molecules in an aqueous environment, including
Figure 112017103950415-pat00007
Provides a method of measuring).

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 상기 제 1 분자 및 제 2 분자 간 표준결합 자유에너지 변화량(

Figure 112017103950415-pat00008
)은 하기 수학식을 이용하여 측정한다: According to a specific embodiment of the present invention, the amount of change in the standard bond free energy between the first molecule and the second molecule (
Figure 112017103950415-pat00008
) Is measured using the following equation:

Figure 112017103950415-pat00009
= △E u + △
Figure 112017103950415-pat00010
- n
Figure 112017103950415-pat00011
- T(△Sconfig + △Sext)
Figure 112017103950415-pat00009
= △ E u + △
Figure 112017103950415-pat00010
-n
Figure 112017103950415-pat00011
T (△ S config + △ S ext )

상기 식에서, △E u는 결합 전후의 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 기체상 에너지 변화량이고, △

Figure 112017103950415-pat00012
는 결합 전후의 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 용매화 자유 에너지 변화량이며,
Figure 112017103950415-pat00013
는 가교 물(bridging water) 단일분자의 벌크 상태에서의 용매화 자유에너지이고, n은 가교 물(bridging water) 단일분자의 수이며, T는 온도이고, △Sconfig는 결합 전후의 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 배치 엔트로피 변화량이며, ΔSext는 결합 전후의 외부 엔트로피 변화량이다.In the above formula, ΔE u is the amount of change in the gas phase energy of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule before and after the bond,
Figure 112017103950415-pat00012
Is the amount of change in the solvation free energy of the first, second and crosslinked water molecules before and after bonding,
Figure 112017103950415-pat00013
Is the solvation free energy in the bulk state of bridging water single molecule, n is the number of bridging water single molecule, T is the temperature, ΔS config is the first molecule before and after the bond, The batch entropy change of the second molecule and the crosslinked water molecule, and ΔS ext is the change of external entropy before and after binding.

본 명세서에서 용어 “배치 엔트로피(configurational entropy)”는 구성 입자의 속도나 운동량이 아닌 위치와 관련된 엔트로피로서, 분자에 의해서 점유된 공간 내에서 입자의 수 및 배열, 즉 용질의 내부 자유도(degrees of freedom)에 의해 결정되는 엔트로피를 의미한다. As used herein, the term “configurational entropy” is entropy related to the position, not the velocity or momentum, of the constituent particles, the number and arrangement of particles in the space occupied by the molecule, ie the internal degrees of freedom of the solute. entropy determined by freedom).

본 명세서에서 용어 “외부 엔트로피(external entropy)”는 복합체 형성과정에서 외부(위치 및 방향)의 자유도 감소에 의해 결정되는 엔트로피를 의미한다.As used herein, the term "external entropy" refers to entropy determined by the reduction of the degree of freedom of the outside (position and direction) during the complex formation process.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 방법을 이용하여 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(

Figure 112017103950415-pat00014
)을 측정하는 단계를 포함하는 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 결합여부를 예측하는 방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for changing the standard binding free energy of a first molecule and a second molecule in an aqueous environment using the method of the present invention.
Figure 112017103950415-pat00014
It provides a method for predicting the binding of the first molecule and the second molecule in an aqueous environment comprising the step of measuring).

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 방법은 상기 표준결합 자유에너지 변화량이 음의 값일 경우, 상기 제1 분자 및 제2 분자의 결합 가능성이 증가하는 것으로 판단한다.According to a specific embodiment of the present invention, the method of the present invention determines that the binding probability of the first molecule and the second molecule increases when the amount of change in the standard binding free energy is negative.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u ) 및 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(

Figure 112017103950415-pat00015
)을 측정하는 방법을 제공한다.(a) The present invention provides the amount of change in effective binding free energy ( f u ) and standard binding free energy between the first and second molecules in an aqueous environment (
Figure 112017103950415-pat00015
Provides a method of measuring).

(b) 본 발명은 자유에너지 측정을 통해 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 결합여부를 예측하는 방법을 제공한다.(b) The present invention provides a method for predicting the binding of the first molecule and the second molecule in an aqueous environment through free energy measurement.

(c) 본 발명은 생체 내(in vivo)와 같은 수성 환경에서 분자들 간의 결합 가능성을 왜곡 없이 높은 신뢰도로 정량 측정할 수 있으며, 이를 통해 컴퓨터 상에서 질환 치료제를 스크리닝하거나 디자인하는 도구로서 유용하게 적용될 수 있다. (c) The present invention can quantitatively measure with high reliability without distorting the possibility of binding between molecules in an aqueous environment such as in vivo , thereby being usefully applied as a tool for screening or designing a disease therapeutic agent on a computer. Can be.

도 1은 바르나제-바스타 복합체의 구조를 나타낸 그림이다.
도 2a는 단일 HB 물, 이중 HB 물 및 가교 물을 나타낸 그림으로, 점선은 수소결합을 나타낸다. 도 2b는 바르나제-바스타 복합체 구조와 수화 물의 스냅샷으로, 단일 HB 물(청록색), 이중 HB 물(주황색) 및 가교 물(적색)의 분포를 보여준다.
도 3은 트래핑 자유에너지를 얻기 위한 열역학 사이클을 나타낸 그림이다. 과정 (1)(‘Process (1)’)은 i-th 물 분자 및 용질 u′(바르나제-바스타 복합체 + 수화 물 - i-th 물 분자)의 용매화 과정을 보여준다. 과정 (2)(‘Process (2)’는 i-th 물 분자를 특정 위치 및 진공 내에서 용질 u′부근의 특정 방향으로 전이시키는 과정을 나타낸다. 과정 (3)(‘Process (3)’은 용질 u(= 용질 u′+ i-th 물 분자)의 용매화 과정을 나타낸다. 이들 과정에서 나타나는 Gibbs 자유에너지 변화를 이용하여, 전이 자유에너지(transfer free energy)는 -ΔG (1) + ΔG (2) + ΔG (3)로 표시될 수 있다.
도 4는 벌크 물(파란색), 단일 HB 물 (청록색), 이중 HB 물 (주황색) 및 가교 물(적색)에 대해 대수적인 시간축 대비 수소-결합의 시간-연관 함수를 나타낸 그림이다. 일점쇄선은 대수적인 기능과 부합하는 구간을 나타낸다.
도 5는 열역학-동력학 관계도를 나타낸 그림이다. 상부패널은 상기 도 4의 단일 HB 물(청록색), 이중 HB 물(주황색) 및 가교 물(적색)에 대해 함수가 0.3에서 0.1로 감소하는 시간 구간에 초점을 둔(연노랑색) 수소-결합의 시간-연관 함수를 나타낸다. 하부패널은 개별적 물 분자의 수소-결합 생존시간(τi) 및 트래핑(trapping) 자유에너지(G i trap)에 대한 분산 플롯(scatter plot)을 나타낸다. 타원의 중심은 평균값에 의해 결정되었고, 너비와 높이는 각 축을 따라 3.6σ(σ는 표준 편차)로 결정되었다.
도 6a는 수화 물의 열역학-동력학 관계도에 대한 모식도이다. 단일 HB 물(청록색), 이중 HB 물(주황색) 및 가교 물(적색)을 bulk 물(파란색)의 위치와 함께 나타내어 도 5의 하부 패널을 도식적으로 다시 표현하였다. 도 6b는 단백질 표면의 전하 분포를 색상으로 표현한 그림으로, 양전하와 음전하를 각각 파란색 및 적색으로 표시하였다.
도 7은 바르나제 단량체(도 7a) 및 복합체 내의 바르나제(도 7b)에 대한 수화 물의 열역학-동력학 관계도를 나타낸 그림이다. 상부 패널은 단일 HB 물(청록색) 및 이중 HB 물(주황색)의 대수적 시간축에 대한 수소결합 시간-연관 함수를 나타낸다. 하부패널은 시간 구간에 초점을 둔 열역학-동력학 관계도로서(상부 패널의 연노랑색), 시간-연관 함수가 0.3에서 0.1로 감소한다. 이러한 이완에 기여하는 개개 분자의 수소결합 생존시간 및 트래핑 자유 에너지의 분산 플롯(scatter plot)을 표시하였으며, 타원형의 중심은 평균으로 결정하였고, 폭과 너비는 축을 따라 3.6으로 결정하였다.
도 8은 바스타 단량체(도 8a) 및 복합체 내의 바스타(도 8b)에 대한 수화 물의 열역학-동력학 관계도를 나타낸 그림이다. 상부 패널은 단일 HB 물(청록색) 및 이중 HB 물(주황색)의 대수적 시간축에 대한 수소결합 시간-연관 함수를 나타낸다. 하부패널은 시간 구간에 초점을 둔 열역학-동력학 관계도로서(상부 패널의 연노랑색), 시간-연관 함수가 0.3에서 0.1로 감소한다. 이러한 이완에 기여하는 개개 분자의 수소결합 생존시간 및 트래핑 자유 에너지의 분산 플롯(scatter plot)을 표시하였으며, 타원형의 중심은 평균으로 결정하였고, 폭과 너비는 축을 따라 3.6으로 결정하였다.
도 9는 단일 HB 물(청록색), 이중 HB 물 (주황색) 및 가교 물(적색)에 있어서 정전기장 E의 크기(도 9a) 및 물의 쌍극자 벡터 및 정전기장 사이의 각도(도 9b)에 대한 cos θ 값의 확률분포를 나타낸다.
도 10은 바르나제-바스타 복합체 + 가교 물(도 10a), 바르나제 단량체(도 10b) 및 바스타 단량체(도 10c)에 있어서 f u에 대한 확률 분포 W(f u)를

Figure 112017103950415-pat00016
로 나타낸 결과를 보여준다. 각 패널의 점선 곡선은 가우스 분포를 나타낸다. 가우스 분포와 가까운 정도는 가우스 분포에 대해 0의 값을 가지는 skewness(s) 및 excess kurtosis(k)을 통해 측정하였다. 1 is a diagram showing the structure of the Varnase-Basta complex.
2a Illustration of single HB water, double HB water and crosslinked water, with dashed lines representing hydrogen bonds. FIG. 2B is a snapshot of the varase-vasta complex structure and hydrate, showing the distribution of single HB water (cyan), double HB water (orange) and crosslinked water (red).
3 is a diagram illustrating a thermodynamic cycle for obtaining trapping free energy. Process (1) (‘Process (1)’)i-th water molecules and solutesu′ (Varnase-vasta complex + hydration-i-th water molecules) shows the solvation process. Process (2) ("Process (2)"i-th solute water molecules at specific locations and in vacuumuIt shows the process of transition to a specific direction in the vicinity. Process (3) ("Process (3)" means soluteu(= Soluteu′ +i-th represents the solvation process of water molecules). Using the Gibbs free energy change in these processes, the transfer free energy is -ΔG (One) + ΔG (2) + ΔG (3)It may be represented as.
4 is Figure 1 shows the time-related function of hydrogen-bonds over the logarithmic time axis for bulk water (blue), single HB water (blue), double HB water (orange), and crosslinked water (red). The dashed dashed line represents the interval corresponding to the algebraic function.
5 is a diagram illustrating a thermodynamic-kinetic relationship diagram. The top panel shows the time-sensitive (light yellow) hydrogen-bonding of hydrogen-bonds in which the function decreases from 0.3 to 0.1 for the single HB water (cyan), double HB water (orange) and crosslinked water (red) of FIG. Represents a time-related function. The bottom panel shows the hydrogen-bond survival time of individual water molecules.τi) And trapping free energy (G i trapA scatter plot for. The center of the ellipse was determined by the mean, with the width and height 3.6 along each axis.σ(σIs the standard deviation).
6A is a schematic diagram of a thermodynamic-kinetic relationship diagram of hydrated water. Single HB water (cyan), double HB water (orange) and crosslinked water (red) are shown along with the location of bulk water (blue) to graphically represent the bottom panel of FIG. Figure 6b is a color representation of the charge distribution on the surface of the protein, the positive and negative charge is shown in blue and red, respectively.
FIG. 7 is a plot showing the thermodynamic-kinetic relationship of hydrates to varase monomers (FIG. 7A) and varases in the complex (FIG. 7B). The top panel shows the hydrogen bond time-related function for the algebraic time base of single HB water (cyan) and double HB water (orange). The lower panel is a thermodynamic-kinetic relationship focused on the time interval (light yellow in the upper panel), with the time-related function decreasing from 0.3 to 0.1. Scatter plots of the hydrogen bond survival time and trapping free energy of individual molecules contributing to this relaxation were shown, the center of the ellipse was determined as the mean, and the width and width were determined as 3.6 along the axis.
FIG. 8 is a plot showing the thermodynamic-kinetic relationship of hydrates to batha monomer (FIG. 8A) and batha (FIG. 8B) in the complex. The top panel shows the hydrogen bond time-related function for the algebraic time base of single HB water (cyan) and double HB water (orange). The lower panel is a thermodynamic-kinetic relationship focused on the time interval (light yellow in the upper panel), with the time-related function decreasing from 0.3 to 0.1. Scatter plots of the hydrogen bond survival time and trapping free energy of individual molecules contributing to this relaxation were shown, the center of the ellipse was determined as the mean, and the width and width were determined as 3.6 along the axis.
9 shows cos for the magnitude of the electrostatic field E (FIG. 9A) and the angle between the dipole vector of the water and the electrostatic field (FIG. 9B) for single HB water (cyan), double HB water (orange) and crosslinked water (red).θ Represents the probability distribution of the values.
FIG. 10 shows the varase-buster complex plus crosslinked product (FIG. 10A), varase monomer (FIG. 10B), and varaster monomer (FIG. 10C).f uProbability distribution forW(f u)
Figure 112017103950415-pat00016
Show the results shown. The dashed line curve in each panel represents the Gaussian distribution. The closeness to the Gaussian distribution was measured by skewness (s) and excess kurtosis (k) with zero values.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. .

실시예Example

실험방법Experiment method

분자 molecule 동력학kinetics 시뮬레이션 simulation

본 발명자들은 바르나제-바스타 복합체 및 유리(free) 바르나제 및 바스타 단백질에 대한 실존(explicit)-물 분자 동력학 시뮬레이션을 수행하였다(도 1). 초기의 복합체 구조는 문헌 22에서 기술하는 바와 같이 X-레이 구조에 기반하여 모델링하였고(PDB ID: 1 BRS15), 유리 바르나제 및 바스타 시뮬레이션의 출발 구조는 NMR 구조로부터 도출하였다(각각 1 BNR23 및 1 BTA24). 초기 측면길이 95.4 Å의 정육면체 박스에서 복합체 구조를 23,477개 물분자로 용매화하고 4개의 Na+ 반대 이온(counter ion)으로 중화하였다; 유리 바르나제(바스타)는 초기 측면길이 81.7Å(69.5Å)의 정육면체 박스에서 14,346(8,397) 물분자로 용매화하고 2 Cl-(6 Na+) 이온으로 중화하였다. 모든 시뮬레이션은 AMBER14 suite25를 이용하여 단백질에 대해서는 FF99SB 역장(force field)26으로, 물에 대해서는 TIP3P model27을 통해 수행하였다. 온도와 압력은 베렌드센(Berendsen) 방법을 이용하여 T = 300K 및 P = 1 bar를 각각 유지하였다28. 참조문헌 22에서 기술하는 동일한 과정을 통해 시뮬레이션을 하였으며, 각각 상이한 임의의 초기속도로 시작하는 3개의 독립된 1μs production run을 수행하였다. We performed an exist-water molecular dynamics simulation for varase-vasta complexes and free varase and vasta proteins (FIG. 1). The initial complex structure was modeled based on X-ray structure as described in document 22 (PDB ID: 1 BRS 15 ), and the starting structures of the free varase and bathar simulations were derived from the NMR structures (1 BNR 23 respectively). And 1 BTA 24 ). The complex structure was solvated with 23,477 water molecules and neutralized with 4 Na + counter ions in a cube box with an initial side length of 95.4 mm 3; The glass Varna (Basta) is solvated, and Cl 2 for the cube in the box of the initial length of side 81.7Å (69.5Å) to 14 346 (8397) of water molecules was neutralized with (6 Na +) ions. All simulations were performed using AMBER14 suite 25 with FF99SB force field 26 for protein and TIP3P model 27 for water. Temperature and the pressure was maintained at beren deusen (Berendsen) method T = 300K and P = 1 bar using 28 respectively. Simulations were carried out using the same procedure described in Ref. 22, and three independent 1 μs production runs were performed, each starting at a different initial rate.

본 발명자들은 벌크 물분자의 동력학 정량측정을 위해 순수(pure)-물 시뮬레이션을 수행하였다. T = 300 K, P = 1 bar에서 2,539개 물분자에 대해 세 번의 독립적인 100 ns 시뮬레이션을 수행하였다. The inventors performed a pure-water simulation for kinetic quantitation of bulk water molecules. Three independent 100 ns simulations were performed on 2,539 water molecules at T = 300 K and P = 1 bar.

수소-결합 재배열 Hydrogen-bond rearrangement 동력학kinetics

본 발명자들은 시간 t = 0에서 발견되는 수소결합이 이후의 시간 t까지 생존하는 정도를 정량화함으로써 수소결합의 시간-연관 함수를 분석하였는데,29 이를 통해 단백질과 수화 물 사이의 수소결합 재배열을 조사할 수 있다. 수소결합은 물분자의 산소가 단백질의 중원자(heavy atom)와의 거리가 3.5Å 이내일 때 형성되는 것으로 여겨진다. 수화 물은 도 2a에서와 같이 세가지로 분류하였다: 단백질과 단일 수소결합을 형성하는 물분자는 “단일 HB 물”(single HB water)이라 칭한다. 도 2b에서, 시뮬레이션 스냅샷 내에서의 단일 HB 물의 위치를 청록색 구로 표시하였고, 복합체에 대한 전체 시뮬레이션 궤적으로부터 계산된 이들의 평균 숫자(±표준편차)는 325.7 ±13.7이다(물 분자의 수 및 물-단백질 수소 결합의 수는 표 1에 요약하였다). 단백질과의 수소결합을 2개 이상 형성하는 물 분자를“이중 HB 물”(double HB water)이라 칭하며, 스냅샷에서 이중 HB 물의 위치는 주황색 구로 표시하였다(도 2b). 시스템 내에 133.0 ±8.0개의 이중 HB 물이 존재하며, 단백질에 대한 수소결합의 평균숫자는 2.4 ±0.1이다. 마지막으로, 2개의 단백질과 동시에 수소 결합을 형성하는 물분자는 “가교 물”(bridging water)라고 칭하였다. 정의에 따라, 가교 물은 두 개의 단백질 사이의 접촉면에만 존재한다(도 2b의 적색 구). 19.6 ±3.0개의 가교 물이 접촉면에 존재하며, 물-단백질 수소 결합의 평균 수는 2.9 ±0.2임을 발견하였다. 수소결합의 시간-연관 함수는 다음과 같이 정의된다: The inventors have time t = hydrogen bonds found in 0 by quantifying the degree of survival to the time t since the time of the hydrogen bond-irradiation hydrogen bond rearrangement between were analyzed the association function, 29 This protein and water of hydration can do. Hydrogen bonds are thought to form when the oxygen of water molecules is within 3.5 kW of the protein's heavy atom. Hydrated water was classified into three categories as shown in FIG. 2A: Water molecules forming a single hydrogen bond with a protein are called "single HB water". In FIG. 2B, the position of a single HB water in the simulation snapshot is represented by a cyan sphere, and their average number (± standard deviation) calculated from the total simulation trajectories for the complex is 325.7 ± 13.7 (number of water molecules and water The number of protein hydrogen bonds is summarized in Table 1). Water molecules that form two or more hydrogen bonds with the protein are called “double HB water” and the location of the double HB water in the snapshot is indicated by an orange sphere (FIG. 2B). There are 133.0 ± 8.0 double HB waters in the system, with an average number of hydrogen bonds to the protein being 2.4 ± 0.1. Finally, water molecules that form hydrogen bonds simultaneously with two proteins are called "bridging water." By definition, the crosslinked water is only present at the contact surface between the two proteins (red sphere in FIG. 2B). It was found that 19.6 ± 3.0 crosslinked water were present at the contact surface and the average number of water-protein hydrogen bonds was 2.9 ± 0.2. The time-related function of hydrogen bonding is defined as:

Figure 112017103950415-pat00017
(1)
Figure 112017103950415-pat00017
(One)

C α HB,indiv(t)은 각 분자의 개별적인 기여를 나타내는데, α는 물의 형태를, 괄호는 해당 형태의 물분자의 평균값임을 의미한다. 벌크 물과 단일 HB 물에 있어 시간 0에서 발견된 하나의 수소 결합이 시간 1까지 생존할 경우 C α HB,indiv(t)는 1이다. 이중 HB 물 및 가교 물에 있어, 시간 0에서 발견된 둘 이상의 수소 결합이 시간 1까지 생존할 경우 C α HB,indiv(t)는 1이다. C α HB, indiv ( t ) represents the individual contribution of each molecule, where α represents the form of water and parentheses represent the mean value of the water molecules of that form. For bulk water and single HB water, C α HB, indiv ( t ) is 1 if one hydrogen bond found at time 0 survives to time 1. For double HB water and crosslinked water, C α HB, indiv ( t ) is 1 if at least two hydrogen bonds found at time 0 survive to time 1.

물분자 및 물-단백질 수소 결합의 평균 숫자(평균 ±표준편차).Average number of water molecules and water-protein hydrogen bonds (mean ± standard deviation). 단일 HB 물Single HB water 이중 HB 물Double HB water 가교 물Crosslinked water 물분자 수Number of water molecules 325.7 ±13.7325.7 ± 13.7 133.0 ±8.0133.0 ± 8.0 19.6 ±3.019.6 ± 3.0 수소결합 수Hydrogen bond number 1One 2.4 ±0.12.4 ± 0.1 2.9 ±0.22.9 ± 0.2

트래핑Trapping (trapping) 자유에너지 (trapping) free energy

본 발명자들은 개별적인 수화 물의 트래핑 자유에너지를 도입하여 이들이 단백질 표면에 결합하는 강도를 정량화하고자 하였다. 트래핑 자유에너지는 물 분자를 무한한 분리로부터 특정 위치 및 단백질-단백질 복합체에 상대적인 특정 방향으로 전이시키는 비가역적인 일(reversible work, 예를 들어 평균 힘의 강도)를 의미한다. 본 발명자들은 고정된 위치 및 용질에 상대적인 특정 방향으로 전이되는 과정을 두가지 관점에서 고찰하였다. 첫째로, 이를 통해 개개의 수화 물의 트래핑 자유에너지를 도 2b와 같은 시뮬레이션 스냅샷 만을 이용하여 계산할 수 있다. 둘째로, 시간 t = 0에서 계산된 트래핑 자유에너지가 개별적인 물 분자의 이후(t > 0) 동력학이 지체되는 정도에 대한 설명이 될 수 있는지를 알아보고자 하였다. 도 3에 나타난 열역학 사이클이 이러한 정량측정을 위해 적용되었다. 해당 사이클에서, 목적하는 수화 물 분자(예를 들어 도 2b에 표시된 모든 물분자)를 포함하여 i-th 물 분자의 특정 위치 및 용질 부근의 특정 방향으로의 전이를 고려하였다. i-th 물 분자가 제외된 용질은 u′로 표시하였다.We wanted to introduce the trapping free energy of the individual hydrates to quantify the strength of their binding to the protein surface. Trapping free energy refers to the reversible work (e.g., the strength of an average force) that transfers water molecules from infinite separation into a specific location and in a particular direction relative to the protein-protein complex. The inventors considered the process of transition in a specific direction relative to a fixed position and solute from two perspectives. First, through this, the trapping free energy of individual hydrates can be calculated using only a simulation snapshot as shown in FIG. 2B. Second, we tried to determine whether the trapping free energy calculated at time t = 0 could explain the extent to which the subsequent ( t > 0) dynamics of individual water molecules were delayed. The thermodynamic cycle shown in FIG. 3 was applied for this quantitation. In that cycle, the transition of the i- th water molecules to specific directions and in the vicinity of the solute was considered, including the desired hydrated water molecules (eg all water molecules shown in FIG. 2B). The solute excluding the i -th water molecule is represented by u '.

도 3의 과정 (1)(‘Process (1)’은 i-th 물 분자 및 용질 u′의 독립적인 용매화 과정이므로, 이에 관련된 Gibbs 자유에너지 변화량은 ΔG (1) =

Figure 112017103950415-pat00018
+
Figure 112017103950415-pat00019
로 표시될 수 있다(
Figure 112017103950415-pat00020
는 단일 물분자의 용매화 자유에너지/
Figure 112017103950415-pat00021
는 용질의 용매화 자유에너지). 과정 (2)(‘Process (2)’에서, i-th 물 분자는 진공 내에서의 무한한 분리상태에서 특정 위치 및 용질 u′부근의 특정 방향으로 이동한다. 이 과정에 필요한 가역적인 일 ΔG (2) = E u ’-i 로 표시될 수 있다(E u ’-i 는 용질 u′및 i-th 물 분자 사이의 상호작용 에너지). 과정 (3)(‘Process (3)’은 용질 u(=u′+ i)의 용매화 과정으로, ΔG (3) =
Figure 112017103950415-pat00022
로 표시될 수 있다. 열역학 사이클로부터, -ΔG (1) + ΔG (2) + ΔG (3)를 계산하여 트래핑 자유에너지를 얻을 수 있으므로, 다음과 같이 표현될 수 있다:Process (1) of FIG. 3 ('Process (1)' is an independent solvation process of i- th water molecule and solute u ', so the amount of Gibbs free energy change related thereto is Δ G (1) = ).
Figure 112017103950415-pat00018
+
Figure 112017103950415-pat00019
Can be represented as
Figure 112017103950415-pat00020
Is the solvation free energy of a single water molecule,
Figure 112017103950415-pat00021
Is the solvation free energy of the solute). Step (2) (in the 'Process (2)', i -th water molecules moving in the space separated in a vacuum to a particular location and solute u 'specific direction in the vicinity. Reversible work required for this process Δ G (2) = E u '-i ( E u ' -i is the interaction energy between solute u 'and i -th water molecules) Process (3) (' Process (3) 'is the solute Solvation of u (= u ′ + i ), Δ G (3) =
Figure 112017103950415-pat00022
It may be represented as. From the thermodynamic cycle, trapping free energy can be obtained by calculating -Δ G (1) + Δ G (2) + Δ G (3) , which can be expressed as:

Figure 112017103950415-pat00023
(2)
Figure 112017103950415-pat00023
(2)

본 발명자들은 상호작용 에너지 E u ’-i 를 역장(force field)을 통해 계산하고, 용매화 자유에너지

Figure 112017103950415-pat00024
는 3D-RISM 이론30을 통해 계산하였다(보충 실시예 참조). 용매화 자유에너지의 원자분해에 기반한
Figure 112017103950415-pat00025
-
Figure 112017103950415-pat00026
를 계산하는 효율적인 방법도 보고되었다31 , 32. 유리 바르나제 및 바스타 단백질 부근의 수화 물의 트래핑 자유에너지도 유사한 방법으로 측정할 수 있다.We calculate the interaction energy E u '-i through the force field, solvating free energy
Figure 112017103950415-pat00024
Was calculated via 3D-RISM theory 30 (see Supplemental Examples). Based on atomic decomposition of solvation free energy
Figure 112017103950415-pat00025
-
Figure 112017103950415-pat00026
An efficient way of calculating 31 and 32 has also been reported. The trapping free energy of hydrated water near free varase and basta protein can also be measured in a similar manner.

최근, 개별적인 수화 물분자의 열역학적 기능을 평가하기 위한 몇몇 컴퓨터 분석방법이 개발되었다33 - 41. 그러나, 이러한 방법은 보통 추가적인 별개 시뮬레이션이 요구된다. 예를 들어, 비균질 용매화 이론33 - 35을 적용하기 위해서는 시뮬레이션 수행 시 단백질 원자를 샘플 물분자 위치 및 주어진 단백질 형태의 방향으로 적용해야 하는 제한점이 있으며, 이러한 추가적인 시뮬레이션 동안 수화 물이 벌크 물과 교체될 경우 분석이 복잡해질 수 있다. 반면, 적분 방정식 이론(3D-RISM)을 적용한 본 발명의 트래핑 자유에너지 분석방법은 무제한 평형 시뮬레이션으로 수득한 스냅샷만을 이용하여 적용 가능하다는 면에서 보다 효율적이다.Recently, several computer analysis method for the evaluation of the thermodynamic function of the individual molecules of the water of hydration has been developed 33-41. However, these methods usually require additional separate simulations. For example, in order to apply the heterogeneous solvation theory 33 to 35 , there are limitations to applying protein atoms in the direction of sample water molecules and the direction of a given protein form when the simulation is performed. During this additional simulation, the hydrate is replaced with the bulk water. Analysis can be complicated. On the other hand, the trapping free energy analysis method of the present invention applying the integrated equation theory (3D-RISM) is more efficient in that it can be applied using only snapshots obtained by unlimited equilibrium simulation.

표준 결합 자유에너지Standard combined free energy

종래의 접근Conventional approach

표준 결합 자유에너지는 참조문헌 22 및 42에서 개시하는 바대로 아래와 같이 통계적인 열역학적 표현으로 표시할 수 있다: Standard binding free energies can be expressed in statistical thermodynamic representations as described in references 22 and 42:

Figure 112017103950415-pat00027
(3)
Figure 112017103950415-pat00027
(3)

ΔX는 두 개의 유리 단백질(1 및 2로 표시)로부터 복합체가 형성되는 과정에서의 X의 변화량을 나타낸다:ΔX = X complex -(X 1 + X 2). f u = Eu + G u solv는 기체상 에너지(E u ) 및 용질 u의 용매화 자유에너지(G u solv)가 포함되는데, u는 수화 물을 제외한 복합체 또는 두 개 유리 단백질 중 하나를 의미하며, 바(bar)는 시뮬레이션된 배위의 평균값을 나타낸다; ΔS config는 용질의 내부 자유도(degrees of freedom)와 연관된 배치 엔트로피(configuration entropy)를 나타내고, ΔS ext는 복합체 형성에 따른 외부(위치 및 방향) 자유도 감소에 기인하는 엔트로피 변화량을 나타낸다. ΔS ext는 표준 상태 의존성을 부여하는데, 여기서는 표준 농도 (1 M)가 선정되었다.Δ X represents the amount of change in X during the formation of the complex from two free proteins (labeled 1 and 2): Δ X = X complex - (X 1 + X 2). f u = Eu + G u solv includes the gaseous energy ( E u ) and the solvation free energy of the solute u ( G u solv ), where u is the complex or one of the two free proteins excluding the hydrate, bar ) Represents the mean value of the simulated configuration; Δ S config represents the configuration entropy associated with the degrees of freedom of the solute, and Δ S ext represents the amount of entropy change due to the reduction of external (position and direction) degrees of freedom due to complex formation. Δ S ext confers standard state dependence, where a standard concentration (1 M) is chosen.

기체상에너지 E u 는 시뮬레이션에 적용된 역장(force field)으로부터 계산하였다(유리 단백질에 대한 E u 는 단백질 내부 에너지만을 나타내지만, 복합체에 대한 E u 는 단백질 간 상호작용 에너지도 포함한다). 용매화 자유에너지 G u solv를 계산하기 위해 3D-RISM 이론30을 적용하였다(보충 실시예 참조). 배치 엔트로피 S config를 정의하기 위하여 에너지론적인 접근을 하였는데43 ,44, fu의 통계적 특성을 통해 이를 표현하였다. 특히, f u 의 확률 분포 W(fu)가 가우스 곡선을 보일 때, 다음과 같이 표현될 수 있다: The gaseous energy E u was calculated from the force field applied in the simulation ( E u for free protein represents only the energy inside the protein, while E u for the complex also contains the inter-protein interaction energy). To calculate the solvation free energy G u solv was applied to the 3D-RISM Theory 30 (see Supplementary embodiment). It was the energetically approach to define the layout entropy S config expressed Through the statistical properties of the 43, 44, fu. In particular, when the probability distribution W ( fu ) of f u shows a Gaussian curve, it can be expressed as:

Figure 112017103950415-pat00028
(4)
Figure 112017103950415-pat00028
(4)

평균 이완시간 및 트래핑 자유에너지(평균 ±표준편차).Mean relaxation time and trapping free energy (mean ± standard deviation). 벌크 물Bulk water 단일 HB 물Single HB water 이중 HB 물Double HB water 가교 물Crosslinked water 이완시간 <τ i >a Relaxation time < τ i > a 5.1±1.65.1 ± 1.6 28.1 ±10.128.1 ± 10.1 133.0 ±8.0133.0 ± 8.0 19.6 ±3.019.6 ± 3.0 (<log10τ i >)b (<log10 τ i >) b (0.69±0.13)(0.69 ± 0.13) (1.42 ±0.16)(1.42 ± 0.16) 2.4 ±0.12.4 ± 0.1 2.9 ±0.22.9 ± 0.2 트래핑 자유에너지c Trapping free energy c 00 -4.5 ±3.4-4.5 ± 3.4 -8.0 ±4.1-8.0 ± 4.1 -12.5 ±4.7-12.5 ± 4.7

(ap초에 개개의 이완시간 τ i 을 이용하게 계산; blog10τ i 를 이용하여 계산된 통계값; ckcal/mol)(calculated using the individual relaxation times τ i in a p seconds; statistical values calculated using b log10 τ i ; c kcal / mol)

k B는 볼츠만 상수이고

Figure 112017103950415-pat00029
이다. 바르나제-바스타 복합체의 외부 엔트로피 ΔSext는 종래에 보고된 값인 -6.8±0.1 kcal/mol를 적용하고22, 에너지론적인 접근을 결합과정까지 확장한 결과 종래 보고된 바와 유사한 값을 얻었다45. k B is Boltzmann's constant
Figure 112017103950415-pat00029
to be. Varna claim External entropy ΔS ext of Basta complex is applied to a value of -6.8 ± 0.1 kcal / mol, and 22 as reported in prior art, as a result of the expansion energy theoretical approach to the joining process to obtain a similar value as the conventional report 45.

대상 object 물분자의Water molecules 실질적 포함 Substantial inclusion

특정 용매분자를 실제로 포함할 수 있도록 하는 결합 자유에너지의 통계적 열역학 공식은 참조문헌 42에 소개되어 있다.

Figure 112017103950415-pat00030
에 대한 식 (3)에서 나타난 f u = E u +
Figure 112017103950415-pat00031
를 다음의 식으로 대체하였다:A statistical thermodynamic formula of binding free energy that allows the actual inclusion of certain solvent molecules is introduced in Ref. 42.
Figure 112017103950415-pat00030
F u in Equation (3) for = E u +
Figure 112017103950415-pat00031
Is replaced by the following equation:

Figure 112017103950415-pat00032
(5)
Figure 112017103950415-pat00032
(5)

위의 식에서, 용질 u는 이제 명확하게 대상 물분자를 포함하며(즉, E u 에는 이들 물분자와의 상호작용이 포함된다), n은 포함된 물 분자의 수이고,

Figure 112017103950415-pat00033
는 단일 물 분자의 용매화 자유에너지이다. S config는 이후 식 (4)와 (5)를 조합하여 계산하였다.In the above formula, solute u now clearly includes the target water molecules (ie E u contains interactions with these water molecules), n is the number of water molecules contained,
Figure 112017103950415-pat00033
Is the solvation free energy of a single water molecule. S config was then calculated by combining Equations (4) and (5).

결과 및 고찰Results and Discussion

수소-결합 재배열 Hydrogen-bond rearrangement 동력학kinetics

본 발명자들은 분자 동력학 시뮬레이션 및 통계적 열역학 분석을 통해 바르나제-바스타 복합체를 둘러싼 수화 물의 동력학 및 열역학적 특성을 조사하였다. 특히, 복합체 형성 시 나타나는 두 단백질 간의 접촉면 물분자의 특성을 조사하고자 하였는데, 이는 접촉면 물과 유리 단백질 주변의 수화 물의 동력학을 대조함으로써 수행하였다. 이러한 목적 하에, 유리 바르나제 및 바스타 단백질에 대한 시뮬레이션 및 분석도 수행하였다. 본 발명자들은 단백질-단백질 결합 표면의 광범위한 소수성으로 인해 매우 중요한 단백질-물 상호작용인 수소결합의 재배열에 초점을 맞추었다21.The inventors investigated the kinetics and thermodynamic properties of the hydrates surrounding the Varnase-Basta complex through molecular dynamics simulation and statistical thermodynamic analysis. In particular, we wanted to investigate the properties of the contact surface water molecules between the two proteins during complex formation. This was done by comparing the dynamics of the contact surface water and the hydrated water around the free protein. For this purpose, simulations and assays for free varase and basta proteins were also performed. We focused on rearrangement of hydrogen bonds, which is a very important protein-water interaction due to the wide hydrophobicity of the protein-protein binding surface 21 .

도 4는 수소결합의 시간-연관 함수를 보여주는데, 이는 시간 t = 0에서 발견된 수소결합이 이후의 시간 t에서도 생존하는 정도를 정량화한 것이다. 단백질과 단일 수소결합을 하는 물 분자(단일 HB 물; 도 2 및 표 1 참조)에 있어, 벌크 물과 비교하여 이완 동력학의 지대한 감속이 관찰되었다(평균 이완시간은 표 2에서 비교되어 있다). 단백질과 둘 이상의 수소결합을 형성하는 물 분자(이중 HB 물)에 있어, 수소결합 재배열은 더 느려졌다. 두 개의 단백질과 동시에 수소결합을 형성하는 가교 물 분자접촉면 물 분자에서 이완은 극단적으로 느려졌다(1,000배 가량 느림). 뿐만 아니라 이완 곡선이 불규칙적이어서 시간에 따라 3배의 대수적인 감소를 보였다.4 shows the time-related function of hydrogen bonds, which quantifies the extent to which hydrogen bonds found at time t = 0 survive the subsequent time t . For water molecules with a single hydrogen bond with the protein (single HB water; see FIG. 2 and Table 1), a significant slowdown in relaxation kinetics was observed compared to bulk water (average relaxation times are compared in Table 2). For water molecules (double HB water) that form two or more hydrogen bonds with the protein, the hydrogen bond rearrangement is slower. In the water-molecules of crosslinked water molecules, which form hydrogen bonds simultaneously with the two proteins, the relaxation was extremely slow (about 1,000 times slower). In addition, the relaxation curve was irregular, resulting in a three-fold logarithmic decrease with time.

열역학-thermodynamics- 동력학kinetics 관계도 Relationship

수화 물의 느린 이완을 설명하기 위하여, 통계적 열역학 분석을 도입하였다. 시간-연관 함수가 0.3에서 0.1로 감소하는 장시간 구간(도 5의 상부 패널의 연노랑색 부분)에 초점을 맞추어 개별적인 분자의 수소결합 생존시간(τ i ) 측정을 통해 이완에 기여하는 물분자를 선별하였다. 이들 각각의 물분자에 대하여, t=0에서의 시뮬레이션 스냅샷을 이용하여 트래핑 자유에너지(G i trap)를 계산하였다. 트래핑 자유에너지는 각각의 물 분자가 생체분자 표면에 얼마나 강하게 포집되는지로 특징지어지는 실질적인 가능성으로 간주할 수 있다: 트래핑 자유에너지가 보다 음성이라는 것은 물 분자가 벌크 상태일 때 보다 단백질 복합체 근처에서 더 안정하다는 의미로, 단백질 복합체에 더 잘 묶여있다는(“trapped”)것이다. 도 5의 하부패널은 이완시간 및 개별적인 물 분자의 트래핑 자유에너지에 대한 분산 플롯(scatter plot)을 보여준다(표 2에 기재된 평균 이완시간 및 트래핑 자유에너지는 이러한 함수를 통해 도출되었으며, 개별적인 물분자의 이완시간 τ i 의 분포는 대수축 상에 잘 나타나기 때문에(도 5 하부패널), 표 2에서 log10 τ i 로 계산된 통계값을 개시하였다). 도출된“열역학-동력학 관계도”를 통해 t=0에서의 트래핑 자유에너지(G i trap)가 이후의 수화 물의 동력학의 지연정도(τ i )에 대한 표현어구로 사용될 수 있다는 점을 명확히 알 수 있었다.To account for the slow relaxation of the hydrate, a statistical thermodynamic analysis was introduced. Focusing on long time intervals (light yellow portion of the top panel of FIG. 5) where the time-related function decreases from 0.3 to 0.1, selects water molecules that contribute to relaxation by measuring the hydrogen bond survival time ( τ i ) of individual molecules It was. For each of these water molecules, trapping free energy ( G i trap ) was calculated using a simulation snapshot at t = 0. Trapping free energy can be thought of as a practical possibility characterized by how strongly each water molecule is trapped on the surface of the biomolecule: the more negative the trapping free energy is, the closer it is to the protein complex than in the bulk of the water molecule. By stability, it is more "trapped" in protein complexes. The lower panel of FIG. 5 shows a scatter plot of relaxation time and trapping free energy of individual water molecules (average relaxation time and trapping free energy shown in Table 2 were derived through this function, Since the distribution of relaxation time τ i is well represented on the logarithmic axis (Fig. 5 lower panel), the statistical value calculated as log 10 τ i in Table 2 is disclosed). The resulting “thermodynamic-kinetic relationship” clearly shows that trapping free energy ( G i trap ) at t = 0 can be used as an expression phrase for the degree of delay ( τ i ) of the hydration of a subsequent hydrate. there was.

도 6a에 열역학-동력학 관계도를 도식적으로 나타냈다. 단일 HB 물은 벌크 물에 비해 더 느린 동력학을 보였는데, 이는 단일 HB 물은 단백질 표면 근처에서 보다 안정하기 때문이며, 이를 통해 물과 단백질 간의 수소결합이 물분자 사이의 수소결합보다 강하다는 점을 알 수 있다. 이중 HB 물의 보다 느린 동력학도 비슷하게 이해될 수 있는데, 추가적인 안정화는 추가적인 물-단백질 수소 결합에 기인한다. 그렇다면, 이중 HB 물과 유사한 숫자의 수소결합을 단백질과 형성하는 가교 물(표 1)은 왜 이중 HB 물보다도 강력하게 묶여있는 것일까. 본 발명자들은 단일 및 이중 HB 물 분자는 이들이 단량체 또는 단백질-단백질 복합체 부근에 존재하는지와 무관하게 열역학적 특성 뿐 아니라 동력학적 특성도 유사하다는 점을 발견하였다 (도 7 및 8). 도식에서 가교 물의 “적색 부위”출현은 단백질-단백질 접촉면의 형성에 기인한다. 이러한 접촉면에만 영향을 미치는 특별한 인자와 관련하여, 본 발명자들은 접촉면 물에서 강한 정전기장을 발생시키는 바르나제-바스타 결합표면의 정전기적 상보성(도 6b)에 주목하였다. 실제로, 가교 물이 단일 및 이중 HB 물에 비하여 정전기장이 더 강하고 물의 쌍극자 벡터가 보다 정전기장을 따라 배열됨을 확인하였다(도 9). 따라서, 필연적으로 결합 전후에 비-접촉면 부위의 수화 물 동력학에서 변화가 관찰되지 않은 반면(도 7 및 8), 결합 접촉면에서 생성된 강한 정전기장은 가교 물의 추가적인 안정화 요소로 작용함으로써, 극도로 느린(나노초 단위) 수소결합 이완을 야기하였다(표 2). 결합 과정에서 수화 물 동력학의 전이가 어떻게 일어나는지를 조사하기 위해서는 자발적인 결합 시뮬레이션을 수행하여야 한다.6a schematically shows a thermodynamic-kinetic relationship diagram. Single HB water showed slower kinetics than bulk water because single HB water is more stable near the protein surface, indicating that the hydrogen bond between water and protein is stronger than the hydrogen bond between water molecules. Can be. The slower kinetics of double HB water can be similarly understood, with further stabilization due to the additional water-protein hydrogen bonds. Why, then, is the crosslinked product that forms a number of hydrogen bonds similar to double HB water with proteins (Table 1)? The inventors have found that single and double HB water molecules have similar thermodynamic as well as kinetic properties regardless of whether they are present in the vicinity of the monomer or protein-protein complex (FIGS. 7 and 8). The “red site” appearance of the crosslinked product in the scheme is due to the formation of the protein-protein contact surface. Regarding this particular factor affecting only this contact surface, the inventors noted the electrostatic complementarity of the Varnase-Basta bonding surface (FIG. 6B) which generates a strong electrostatic field in the contact surface water. Indeed, it was found that the crosslinked water had a stronger electrostatic field compared to single and double HB water and the dipole vectors of water were arranged along the more electrostatic field (FIG. 9). Therefore, no change in hydration kinetics of the non-contacting surface sites is necessarily observed before and after bonding (FIGS. 7 and 8), while the strong electrostatic field generated at the bonding contacting surface acts as an additional stabilizing element of the crosslinked water, thereby making it extremely slow ( Nanosecond units), resulting in hydrogen bond relaxation (Table 2). In order to investigate how the transition of hydration kinetics occurs during the coupling process, spontaneous coupling simulation should be performed.

트래핑 자유에너지는 물의 관점에서 결합 접촉면의 형성을 조사하는 데 뿐 아니라, 수화 물의 미결합 단백질에서 결합 복합체로의 재배열을 연구하는 데에도 중요한 정량자료가 된다. 바르나제-바스타 복합체는 접촉면 물이 특히 움직이지 않는 시스템으로 알려져 있으나46, 결합 표면의 정전기적 상보성이 수많은 단백질 복합체에서 관찰되기 때문에47 ,48, 극도로 느린 물 이완을 소수성 단백질-단백질 접촉면의 일반적인 특징인 것으로 예상하였다47 ,48.Trapping free energy is an important quantitative data not only for investigating the formation of binding contacts from the water's point of view, but also for studying the rearrangement of hydrated water from unbound proteins to binding complexes. Varna claim - Basta complex contact surface water is particularly known for stationary systems, but 46, the coupling since the observed electrostatic complementarity a number of protein complexes on the surface 47 and 48, the hydrophobic protein to slow water relaxation an extremely-common protein contact surface features were estimated to be 47 and 48.

"전통적인”결합 열역학"Traditional" coupled thermodynamics

Figure 112017103950415-pat00034
를 결정하는 인자들 중에서[식 (3)], Δf u = ΔE u + Δ
Figure 112017103950415-pat00035
는 두 가지 이유로 중요한 역할을 한다. 우선, 일반적으로 단백질과 같은 복합체 고분자의 배치(ΔS config) 및 외부(ΔS ext) 엔트로피는 계산하기 어렵다. 다음으로, 복합체 형성 과정에서 ΔS config 및 ΔS ext는 대개 음의 값이므로
Figure 112017103950415-pat00036
을 증가시키게 되어 결합이 일어나지 않도록 하기 때문에, 결합의 동력은 Δf u 에서 유래하여야 한다. 실제로, 유효 결합 자유에너지49라고 불리는 Δf u 는 MM-PBSA(molecular-mechanics Poisson-Boltzmann surface area)와 같은 생체분자 결합의 컴퓨터 분석에 있어 주요 정량값이다50-52.
Figure 112017103950415-pat00034
Of the factors determining [Eq. (3)], Δ f u = Δ E u + Δ
Figure 112017103950415-pat00035
Plays an important role for two reasons. First, the general arrangement of a composite polymer such as a protein (Δ S config) and outer (Δ S ext) entropy, it is difficult to calculate. Next, Δ S config and Δ S ext are usually negative values during complex formation.
Figure 112017103950415-pat00036
The increases are not occur because this combination, the power of the combination is to be derived from Δ f u. Indeed, Δ f u , called effective binding free energy 49 , is the main quantitative value in computer analysis of biomolecule binding, such as molecular-mechanics Poisson-Boltzmann surface area (MM-PBSA) 50-52 .

시뮬레이션한 단백질 형태에 대해 Δf u 에 값을 평균냄으로써

Figure 112017103950415-pat00037
를 계산하였다(이는 하나의 복합체 및 두 개의 유리 단백질에 대한 분리된 계산을 수행하여 3궤적 방법이라 불린다. 결합 열역학 수치 값은 복합체 및 유리 단백질의 독립적인 궤적 및 오차전파 법칙에 기초하여 계산된 표준오차와 함께 기재된다). 에너지 기여(ΔE u )는 역장으로부터 직접적으로 계산하였으며, 용매화 기여(Δ
Figure 112017103950415-pat00038
)는 3D-RISM 이론을 이용하여 계산하였다(보충 실시예 참조). 이를 통해
Figure 112017103950415-pat00039
= 25.7±2.6 kcal/mol를 도출하였는데, 이는
Figure 112017103950415-pat00040
를 양의 값으로 만들어 실험적 관찰과 명백히 불일치한다(
Figure 112017103950415-pat00041
= 18.9 kcal/mol)53. 흥미롭게도, 바르나제-바스타 복합체에서 양의 유효 결합 자유에너지 값은 MM-PBSA 계산을 통해 이미 보고된 바 있다(
Figure 112017103950415-pat00042
= +14 kcal/mol54,
Figure 112017103950415-pat00043
= +3.6 kcal/mol55, 이들 값의 차이는 MM-PBSA 계산 시 복합체의 시뮬레이션으로부터 복합체 및 단량체 배치를 모두 도출하는 단일궤적 방법의 사용; 상이한 역장의 이용; 및 용매화 자유에너지의 상이한 추정 때문일 수 있다).By averaging the values of Δ f u for the simulated protein form
Figure 112017103950415-pat00037
(This is called a three-track method by performing separate calculations for one complex and two free proteins. Binding thermodynamic numerical values are standard calculated based on the independent trajectory and error propagation laws of the complex and free protein. With errors). The energy contribution (Δ E u ) was calculated directly from the force field and the solvation contribution (Δ
Figure 112017103950415-pat00038
) Was calculated using 3D-RISM theory (see Supplemental Examples). because of this
Figure 112017103950415-pat00039
= 25.7 ± 2.6 kcal / mol, which is
Figure 112017103950415-pat00040
Is positively inconsistent with experimental observations (
Figure 112017103950415-pat00041
= 18.9 kcal / mol) 53 . Interestingly, positive effective binding free energy values in the Varnase-Basta complex have already been reported through the MM-PBSA calculation (
Figure 112017103950415-pat00042
= +14 kcal / mol 54 ,
Figure 112017103950415-pat00043
= +3.6 kcal / mol 55 , the difference between these values is the use of a single trajectory method that derives both the complex and monomer batches from the simulation of the complex in calculating the MM-PBSA; The use of different force fields; And different estimates of solvation free energy).

전통적인 방법의 근거가 되는 가정Assumptions on the Traditional Way

여기서 본 발명자들은 표준 결합 자유에너지에 대한 식 (3)의 근거가 되는 가정을 검증하고자 하였다. 사안을 단순화하기 위해, 바른틀 앙상블(canonical ensemble)만을 고려하고 요점을 변화시키지 않는 외부 엔트로피를 무시하였다. 용질-용매 시스템에서의 분할 기능에서 중요한 부분인 배위적분부터 시작하였다:Here, the inventors tried to verify the assumptions underlying the equation (3) for the standard binding free energy. To simplify the matter, we considered only canonical ensemble and ignored external entropy that did not change the point. We started with the coordination integral, which is an important part of the segmentation function in solute-solvent systems:

Figure 112017103950415-pat00044
(6)
Figure 112017103950415-pat00044
(6)

ru 및 rv는 각각 용질 및 용매 자유도를 의미하며; β = 1/(k B T)는 온도의 역수를 의미하고; Eu, Euv 및 Ev는 각각 용질 에너지, 용질-용매 상호작용 에너지 및 용매-용매 상호작용 에너지를 의미한다. Ztot는 자유에너지 시뮬레이션에서의 핵심 요소로서, 자유에너지 Ftot = - k B T log Ztot의 변화(예를 들어 돌연변이)는 용질 및 용매 자유도가 명확하게 조절되는 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 그러나, 식(6)은 식(3)의 근거가 될 수 없다: 예를 들어 확률 분포 p tot(r u, r v)=

Figure 112017103950415-pat00045
E tot = E u + E uv + E v를 적용함으로써, 식(6)을 통해 자연스럽게 도출되는 엔트로피 Stot=
Figure 112017103950415-pat00046
가 된다. 이는 용질(Sconfig) 및 용매 (
Figure 112017103950415-pat00047
에 포함) 엔트로피가 분리되어 있는 식(3)에 반한다. r u and r v mean solute and solvent degrees of freedom, respectively; β = 1 / ( k B T ) means the inverse of the temperature; E u , E uv and E v mean solute energy, solute-solvent interaction energy and solvent-solvent interaction energy, respectively. Z tot is a key element in free energy simulations. The change in free energy F tot = -k B T log Z tot (e.g. mutations) was calculated through a simulation in which solute and solvent degrees of freedom were clearly controlled. However, equation (6) cannot be the basis of equation (3): for example, probability distribution p tot ( r u , r v ) =
Figure 112017103950415-pat00045
And by applying E tot = E u + E uv + E v , the entropy S tot = naturally derived through Eq.
Figure 112017103950415-pat00046
Becomes This is because the solute (S config ) and the solvent (
Figure 112017103950415-pat00047
Contrary to equation (3) in which entropy is separated.

식(6)으로부터 식(3)에 도달하기 위하여, 용매 자유도에 대한 평균값을 먼저 계산하여야 한다. 이러한 평균값 계산은 주어진 용질 배위 r u에 대해 용매화 자유에너지

Figure 112017103950415-pat00048
(r u)에 의존적인 용질-배위의 관점에서 다음과 같이 계산될 수 있다:In order to arrive at equation (3) from equation (6), the average value for the solvent degrees of freedom must first be calculated. These mean calculations yield solvation free energy for a given solute coordination r u .
Figure 112017103950415-pat00048
In terms of solute-coordination dependent on ( r u ), it can be calculated as follows:

Figure 112017103950415-pat00049
(7)
Figure 112017103950415-pat00049
(7)

여기서,

Figure 112017103950415-pat00050
는 순수 용매에 대한 배위적분이다. 이제, 용매 자유도의 평균값을 도출한 뒤의 배위적분은 다음과 같이 표현될 수 있다: here,
Figure 112017103950415-pat00050
Is the coordination integral with respect to the pure solvent. Now, the coordination integral after deriving the mean value of the solvent degrees of freedom can be expressed as:

Figure 112017103950415-pat00051
(f u = E u +
Figure 112017103950415-pat00052
) (8)
Figure 112017103950415-pat00051
( f u = E u +
Figure 112017103950415-pat00052
) (8)

Figure 112017103950415-pat00053
를 도입함으로써, 연관된 엔트로피는 용질 배치 엔트로피 Sconfig에 대한 식을 정의하는 -k B∫dr u p(r u)logp(r u)로 표현될 수 있다. 따라서, 식(3)이 용매 자유도의 평균값에 기반하고 있음은 명백하다(식(8)로부터 식(3)이 도출되는 과정은 참고문헌 22 및 42에 기재되어 있다). “전통적인”방법에 의할 때 이러한 사전 평균(pre-averaging)에 기초하게 되며, PBSA 및 3D-RISM과 같은 특정 방법을 참고하지 않았다.
Figure 112017103950415-pat00053
By introducing, the associated entropy can be expressed as −k B ∫d r u p ( r u ) log p ( r u ) which defines the equation for solute batch entropy S config . Thus, it is evident that Eq. (3) is based on the average value of the solvent degrees of freedom (the process by which Eq. (3) is derived from Eq. (8) is described in references 22 and 42). The “traditional” method is based on this pre-averaging and does not refer to specific methods such as PBSA and 3D-RISM.

전통적인 방법의 실질적인 적용에서는 모든 물 분자를 평형 연속체 모델(PBSA) 또는 분자분포 기능(3D-RISM)으로 대체하면서 시뮬레이션 궤적을 통해 수득한 단백질 형태만이 이용된다. 이러한 처리는 전형적인 물 동력학(피코초)과 단백질 형태 운동(나노초)16 간의 시간척도의 상이함 때문에(예를 들어 주변의 물의 빠른 평형도달로 인해) 대개 정당화된다. 그러나, 가교-물 이완이 극도로 느리다는 점 때문에 생체분자 접촉면의 물을 피상적으로 취급할 수 없기 때문에, 본 발명자들은 이것이

Figure 112017103950415-pat00054
의 비현실적인 양의 값의 기원이라고 추측하였다. In practical applications of traditional methods, only protein forms obtained through simulation trajectories are used, replacing all water molecules with an equilibrium continuum model (PBSA) or molecular distribution function (3D-RISM). This treatment is usually justified due to the difference in time scale between typical water kinetics (picoseconds) and protein form motion (nanoseconds) 16 (eg due to the rapid equilibrium of the surrounding water). However, because we cannot superficially handle the water on the biomolecule contact surface because of the extremely slow cross-linking-water relaxation, we believe that
Figure 112017103950415-pat00054
It is assumed that the origin of the unrealistic amount of.

가교 물의 포함 Inclusion of crosslinked water

느린 가교 물의 포함에 따른 영향을 조사하기 위해, 복합체의 시뮬레이션 궤적으로부터 수득한 단백질 배위 뿐 아니라 접촉면에 위치한 가교 물을 고려하였다: 가교 물의 수(n)는 시뮬레이션 스냅샷에 좌우되고, 그 평균값은 19.6 ±3.0이다(표 1). 이제, 이들 가교 물은 복합체의 구조적 일부분으로 간주되며, 식(5)를 대입하여 복합체에 대한 f u 값을 계산하였다. 그 결과 음의 값인

Figure 112017103950415-pat00055
= -34.2±2.1kcal/mol을 얻었는데, 이는 결합의 동력이 된다. 이러한 결과는 결합 열역학에 있어 접촉면 물의 동력학을 고려할 필요성을 보여준다.In order to investigate the effects of the inclusion of slow crosslinks, we considered the protein coordination obtained from the simulation trajectory of the complex as well as the crosslinks located at the contact surface: the number of crosslinks (n) depends on the simulation snapshot and the average value was 19.6. ± 3.0 (Table 1). Now these crosslinked products are regarded as structural parts of the complex, and the equation (5) was substituted to calculate the f u value for the complex. The result is a negative value
Figure 112017103950415-pat00055
= -34.2 ± 2.1 kcal / mol, which is the power of the bond. These results show the need to consider the dynamics of contact surface water in coupling thermodynamics.

실험값과의 비교를 통하여 가교 물을 실질적으로 포함시키는 방법을 검증하기 위해 결합 자유에너지

Figure 112017103950415-pat00056
를 계산하였다. 이를 위해서는 배치(ΔSconfig) 및 외부(ΔSext) 엔트로피 기여를 추정해야 했다. 배치 엔트로피에 대해 본 발명자들은 f u의 변동의 관점에서 ΔSconfig를 표현하는 에너지적 방법을 사용하였다43 ,44. 특히, f u의 확률 분포 W(f u)가 가우스 곡선일 때, Sconfig는 단순히 f u의 변동의 평균제곱이 된다(식(4)). 실제로, 바르나제-바스타 복합체 및 가교 물의 W(f u)는 가우스 분포에 잘 수렴되어 TΔSconfig = - 4.5 ±18.5 kcal/mol가 도출된다. 외부 엔트로피 ΔSext의 도출에는 참조문헌 22에서 보고한 방법으로 계산한 추정값 TΔSext = - 6.8 ±0.1 kcal/mol를 이용하였으며, 이는 참조문헌 45에서 보고된 값과 유사하다. 이들 결과를 조합하여
Figure 112017103950415-pat00057
= - 22.9 ±18.60를 도출하였는데, 이는 실험값(-18.9 kcal/mol)과 합리적인 일치를 보인다53 (
Figure 112017103950415-pat00058
의 큰 표준오차는 TΔSconfig의 표준오차에서 기인한다).Binding free energy to verify how the crosslinked material is substantially included by comparison with experimental values
Figure 112017103950415-pat00056
Was calculated. This required estimating batch (ΔS config ) and external (ΔS ext ) entropy contributions. The inventors arranged for entropy used a method of expressing the energetically ΔS config in terms of variation in the f u 43, 44. In particular, when the distribution of u f W (f u) is the Gaussian curve, S config is simply the average of the square of the variation in the f u (formula (4)). Indeed, W ( f u ) of the varase-vasta complex and crosslinked water converge well to the Gaussian distribution resulting in TΔS config = −4.5 ± 18.5 kcal / mol. For the derivation of the external entropy ΔS ext , an estimate TΔS ext = −6.8 ± 0.1 kcal / mol calculated by the method reported in Ref. 22 was used, which is similar to the value reported in Ref. 45. Combining these results
Figure 112017103950415-pat00057
= - 22.9 ± 18.60 were obtained for which experimental data shows an (-18.9 kcal / mol) and reasonable match 53 (
Figure 112017103950415-pat00058
The large standard error of is due to the standard error of TΔS config ).

보충 supplement 실시예Example - - 용매화Solvation 자유 에너지의 계산방법 Calculation method of free energy

적분 방정식 이론. Integral equation theory .

각각의 시뮬레이션된 용질 배위에 대해, 3D-RISM을 적용하여 용매화 자유 에너지

Figure 112017103950415-pat00059
를 계산하였다56 ,57. 3D-RISM 이론은 용질 부위의 위치 r에서의 물의 3차원적 분포함수 g γ(r)를 수득하기 위한 통계역학-기반 적분 방정식이다(여기서 용질은 바르나제-바스타 복합체, 바르나제 단량체, 바스타 단량체 또는 이들 단백질에 실제로 다루어지는 물 분자를 추가한 것이다. 이 경우, 물 분자는 실제 용질의 일부로 간주되는 물과 그 밖에 용질을 둘러싼 다른 물 분자의 두 가지로 나뉜다). 이 이론에서 3D-RISM 함수를 풀면 분포 함수도 함께 도출된다.For each simulated solute configuration, 3D-RISM was applied to solvate free energy.
Figure 112017103950415-pat00059
56 and 57 were calculated. The 3D-RISM theory is a statistical dynamic-based integral equation for obtaining the three-dimensional distribution function g γ ( r ) of water at the position r of the solute site, where the solute is a varase-vasta complex, a varase monomer, a vasta monomer Or adding water molecules that are actually addressed to these proteins, in which case the water molecules are divided into two, water which is considered part of the actual solute and other water molecules surrounding the solute). In this theory, solving the 3D-RISM function leads to the distribution function.

Figure 112017103950415-pat00060
(9)
Figure 112017103950415-pat00060
(9)

Figure 112017103950415-pat00061
(10)
Figure 112017103950415-pat00061
10

상기 식에서, d γ(r)= -u γ(r)/(k B T) + h γ(r) - c γ(r)이고, 여기서 h γ(r) = g γ(r)- 1 및 c γ(r)은 각각 전체 및 직접 상관함수이다; χγγ (r)은 순수 물에 대한 시뮬레이션이나 적분 방정식 계산을 통해 얻어질 수 있는 위치간 물 감수성 함수를 나타낸다; u γ(r)은 주어진 용질 배위에 대한 용질-용매 상호작용 가능성을 나타낸다. 본 발명자들은 참조문헌 57에 보고된 방법으로 상기 방정식을 풀었다.Wherein d γ ( r ) = -u γ ( r ) / ( k B T ) + h γ ( r ) -c γ ( r ), where h γ ( r ) = g γ ( r ) -1 and c γ ( r ) is the total and direct correlation functions, respectively; χ γγ ' (r) represents the water-to-position water sensitivity function that can be obtained through simulation of pure water or by calculating the integral equations; u γ ( r ) indicates the solute-solvent interaction potential for a given solute configuration. We solved this equation by the method reported in Ref. 57.

용매화 자유에너지는 다음의 Kirkwood 전하 공식으로도 계산할 수 있다58.The solvation free energy can also be calculated by the following Kirkwood charge formula 58 .

Figure 112017103950415-pat00062
(11)
Figure 112017103950415-pat00062
(11)

여기서, λ는 용질-용매 상호작용이 전혀 없는 λ=0, u γ(r;λ = 0)에서 상호작용이 최대인 λ = 1, u γ(r;λ = 1) = u γ(r)까지 상호작용에 따라 서서히 스위치-온 되는 전하 파라미터이다. g γ(r;λ) 파라미터 λ에서의 분포함수를 나타내며, 상호작용 가능성 u γ(r;λ)를 이용하여 3D-RISM 이론을 통해 계산될 수 있다.Where λ is the maximum interaction at λ = 0, u γ (r; λ = 0) with no solute-solvent interaction, λ = 1, u γ (r; λ = 1) = u γ (r) It is a charge parameter that is slowly switched on depending on the interaction. g γ (r; λ) represents the distribution function in the parameter λ and can be calculated via 3D-RISM theory using the interaction probability u γ (r; λ).

분해 방법Decomposition Method

상기 식(2)의 트래핑 자유 에너지 계산을 위해

Figure 112017103950415-pat00063
-
Figure 112017103950415-pat00064
의 기여를 평가해야 한다. 여기서, 용질 u(= u’+ i)와 u’의 차이는 i-th 물분자의 존재여부에 있다(도 3). 주어진 용질 배위에서 각각의 수화 물 분자의 트래핑 자유 에너지 계산을 위하여, 이들 물분자의 수 만큼 계산을 반복해야 한다(바르나제-바스타 복합체를 둘러싼 물분자는 평균 533개이다). 이러한 계산 상의 문제를 회피하기 위하여, 다음의 근사치를 이용하였다:To calculate the trapping free energy of Equation (2)
Figure 112017103950415-pat00063
-
Figure 112017103950415-pat00064
The contribution of must be evaluated. Here, the difference between the solute u (= u '+ i ) and u ' is in the presence of i- th water molecules (Fig. 3). In order to calculate the trapping free energy of each hydrated molecule in a given solute configuration, the calculation must be repeated by the number of these water molecules (the average number of water molecules surrounding the varase-vasta complex is 533). To avoid this computational problem, the following approximation was used:

Figure 112017103950415-pat00065
(12)
Figure 112017103950415-pat00065
(12)

여기서,

Figure 112017103950415-pat00066
i-th 물분자가 모든 수화 물분자를 포함하는 용질의 용매화 자유 에너지
Figure 112017103950415-pat00067
에 대한 기여이다. 주어진 용질 배위에서 모든 수화 물 분자의
Figure 112017103950415-pat00068
는 단일
Figure 112017103950415-pat00069
의 단일 분해계산으로부터 얻을 수 있어 매우 효율적이다.here,
Figure 112017103950415-pat00066
Solvation free energy of the solute in which the i -th water molecule contains all the hydrated water molecules
Figure 112017103950415-pat00067
Is a contribution to. Of all hydrated molecules in a given solute configuration
Figure 112017103950415-pat00068
Is a single
Figure 112017103950415-pat00069
It is very efficient because it can be obtained from single decomposition calculation of.

용매화 자유 에너지의 분해 방법59 ,60은 물 위치 γ와 용질원자 간의 상호작용 가능성 u γ(r)은 짝을 이룬 추가적 기여

Figure 112017103950415-pat00070
로 이루어져 있다는 점에 기반한다. 이를 식 11에 적용하면, 용매화 자유 에너지의 정확한 원자 분해를 얻을 수 있다59 ,60 Decomposition of the solvation free energy 59 , 60 shows the possibility of interaction between the water position γ and the solute atoms u γ (r) is a further contribution paired with
Figure 112017103950415-pat00070
Based on the fact that Applying this to Equation 11, accurate atomic decomposition of the solvation free energy can be obtained 59 , 60

Figure 112017103950415-pat00071
(13)
Figure 112017103950415-pat00071
(13)

여기서, 용질 u의 원자에 의한 기여임을 강조하기 위해

Figure 112017103950415-pat00072
로 표시하였다. 일단
Figure 112017103950415-pat00073
의 원자 분해가 이루어지면, i-th 물분자의 기여
Figure 112017103950415-pat00074
Figure 112017103950415-pat00075
=
Figure 112017103950415-pat00076
를 이용하여 얻을 수 있다. 3개의 독립적인 1 ㎲ 궤적으로부터 100 ns 시간 간격으로 30개의 바르나제-바스타 복합체 배위의 물분자에 대해 식(12)의 유효성을 검사한 결과,
Figure 112017103950415-pat00077
-
Figure 112017103950415-pat00078
Figure 112017103950415-pat00079
간의 피어슨 상관계수(R)가 0:85임을 발견함으로써
Figure 112017103950415-pat00080
Figure 112017103950415-pat00081
-
Figure 112017103950415-pat00082
의 유용한 근사치가 될 수 있음을 알 수 있었다.Here, to emphasize that the contribution by the atom of the solute u
Figure 112017103950415-pat00072
Marked as. First
Figure 112017103950415-pat00073
Of atomic decomposition of i -th water molecules
Figure 112017103950415-pat00074
Is
Figure 112017103950415-pat00075
=
Figure 112017103950415-pat00076
Can be obtained using The validity of equation (12) on water molecules of 30 varnase-vasta complex coordinations at 100 ns time intervals from three independent 1 μs trajectories,
Figure 112017103950415-pat00077
-
Figure 112017103950415-pat00078
And
Figure 112017103950415-pat00079
By finding that the Pearson's correlation coefficient (R) is 0:85
Figure 112017103950415-pat00080
end
Figure 112017103950415-pat00081
-
Figure 112017103950415-pat00082
It can be a useful approximation of.

결론conclusion

물 분자는 생체분자 간의 접촉면에서 광범위하게 발견되며, 접촉면 물분자는 생체분자의 완전한 일부분으로 간주되어야 한다. 본 발명에서는 여기에 동력학적인 관점에 기반한 새로운 고찰을 제공하고자 하였다. 본 발명자들은 두 생체분자를 수소결합을 통해 가교하는 접촉면 부위에 “특별한”물분자가 나타나며, 극도로 느린 수소결합 재배열이 일어남을 밝혔다. 열역학-동력학 관계도의 분석을 통해, 가교 물의 극도로 느린 특성은 수소 결합의 수 뿐 아니라 결합표면 사이의 강한 정전기장으로 인해 나타나는 추가적인 안정화에도 기인함을 발견하였다. 결합 친화도를 결정함에 있어 이와 같이 느린 접촉면 물의 역할은 종래와 같이 물의 자유도(degree of freedom)의 빠른 평형을 전제로 하는 물-매개 상호작용을 통해서 설명될 수 없다. 실제로, 본 발명자들은 생체분자 및 접촉면 가교 물을 통합적으로 다루어야 결합 친화도의 유의한 측정이 가능함을 관찰하였다. 본 발명은 단백질간 결합 열역학에 수화 동력학이 미치는 영향을 보여준다.Water molecules are widely found in the interface between biomolecules and the contact surface water molecules should be considered as a complete part of the biomolecule. In the present invention, to provide a new consideration based on the dynamic point of view. The inventors found that "special" water molecules appeared at the site of the contact surface where the two biomolecules are crosslinked via hydrogen bonding, resulting in extremely slow hydrogen bond rearrangement. Analyzes of the thermodynamic-kinetic relationships show that the extremely slow nature of the crosslinked water is due not only to the number of hydrogen bonds but also to further stabilization due to the strong electrostatic fields between the bond surfaces. This role of slow contact surface water in determining binding affinity cannot be explained through water-mediated interactions that presuppose a rapid equilibrium of degree of freedom as in the prior art. Indeed, the inventors have observed that integrating biomolecules and contact surface cross-links allows for a significant measurement of binding affinity. The present invention shows the effect of hydration kinetics on interprotein binding thermodynamics.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Having described the specific part of the present invention in detail, it is apparent to those skilled in the art that the specific technology is merely a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereto. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

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Claims (13)

제1 분자 및 제2 분자 간에 형성되는 접촉면(interface)에 존재하면서 제1 분자 및 제2 분자 모두와 수소결합을 형성하는 가교 물(bridging water) 단일분자의 벌크 상태에서의 용매화 자유에너지(
Figure 112019072222188-pat00083
); 및 상기 가교 물 단일 분자의 수(n)를 측정하는 단계를 포함하는,
수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, fu )를 분자 동력학 시뮬레이션을 이용하여 측정하는 방법.
The solvation free energy in the bulk state of bridging water single molecule which exists in the interface formed between the first molecule and the second molecule and forms hydrogen bonds with both the first molecule and the second molecule (
Figure 112019072222188-pat00083
); And measuring the number n of the crosslinked water single molecule,
A method for measuring effective binding free energy ( f u ) between a first molecule and a second molecule in an aqueous environment using molecular dynamics simulation.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 기체상 에너지(E u )를 측정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the method further comprises measuring gas phase energy ( E u ) of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 용매화 자유 에너지(
Figure 112017103950415-pat00084
)를 측정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the method comprises the solvation free energy of the first, second and
Figure 112017103950415-pat00084
The method further comprises the step of measuring).
제 1 항에 있어서, 상기 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u )는 하기 수학식을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 방법:
Figure 112017103950415-pat00085
.
The method of claim 1, wherein the effective binding free energy ( f u ) between the first molecule and the second molecule is measured using the following equation:
Figure 112017103950415-pat00085
.
제 4 항에 있어서, 상기 가교 물(bridging water) 단일분자의 벌크 상태에서의 용매화 자유에너지(
Figure 112017103950415-pat00086
); 상기 가교 물 단일 분자의 수(n); 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 기체상 에너지(E u ); 및 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 용매화 자유 에너지(
Figure 112017103950415-pat00087
)는 전산 시뮬레이션을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
The solvation free energy of the bulk of the bridging water single molecule,
Figure 112017103950415-pat00086
); Number of the crosslinked water single molecules ( n ); Gas phase energy ( E u ) of the first molecule, the second molecule, and the crosslinked water molecule; And the solvation free energy of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule (
Figure 112017103950415-pat00087
) Is measured using computational simulation.
제 5 항에 있어서, 상기 전산 시뮬레이션은 분자 동력학 시뮬레이션(Molecular Dynamic Simulation)인 것을 특징으로 하는 방법.
6. The method of claim 5, wherein the computational simulation is molecular dynamic simulation.
제 5 항에 있어서, 상기 가교 물 단일 분자의 수(n)는 전산 시뮬레이션의 스냅샷을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. The method of claim 5, wherein the number n of crosslinked water single molecules is measured using a snapshot of computational simulation.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 분자 및 제2 분자 중 적어도 하나의 분자는 생체분자인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein at least one of the first molecule and the second molecule is a biomolecule.
제 8 항에 있어서, 상기 생체분자는 단백질인 것을 특징으로 하는 방법.
9. The method of claim 8, wherein said biomolecule is a protein.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자 간 유효 결합 자유에너지(effective binding free energy, f u )를 측정하는 단계를 포함하는 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(
Figure 112017103950415-pat00088
)을 측정하는 방법.
10. The method of any one of claims 1 to 9 comprising measuring the effective binding free energy ( f u ) between the first molecule and the second molecule in an aqueous environment. The amount of change in the standard binding free energy of the first molecule and the second molecule in the aqueous environment (
Figure 112017103950415-pat00088
How to measure).
제 10 항에 있어서, 상기 제1 분자 및 제2 분자 간 표준결합 자유에너지 변화량(
Figure 112017103950415-pat00089
)은 하기 수학식을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 방법:
Figure 112017103950415-pat00090
= △E u + △
Figure 112017103950415-pat00091
- n
Figure 112017103950415-pat00092
- T(△Sconfig + △Sext)
상기 식에서, △E u는 결합 전후의 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 기체상 에너지 변화량이고, △
Figure 112017103950415-pat00093
는 결합 전후의 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 용매화 자유 에너지 변화량이며,
Figure 112017103950415-pat00094
는 가교 물(bridging water) 단일분자의 벌크 상태에서의 용매화 자유에너지이고, n은 가교 물(bridging water) 단일분자의 수이며, T는 온도이고, △Sconfig는 결합 전후의 제1 분자, 제2 분자 및 가교 물 분자의 배치 엔트로피 변화량이며, ΔSext는 결합 전후의 외부 엔트로피 변화량이다.
The method of claim 10, wherein the amount of change in the standard bond free energy between the first molecule and the second molecule (
Figure 112017103950415-pat00089
) Is measured using the following equation:
Figure 112017103950415-pat00090
= △ E u + △
Figure 112017103950415-pat00091
-n
Figure 112017103950415-pat00092
T (△ S config + △ S ext )
In the above formula, ΔE u is the amount of change in the gas phase energy of the first molecule, the second molecule and the crosslinked water molecule before and after the bond,
Figure 112017103950415-pat00093
Is the amount of change in the solvation free energy of the first, second and crosslinked water molecules before and after bonding,
Figure 112017103950415-pat00094
Is the solvation free energy in the bulk state of bridging water single molecule, n is the number of bridging water single molecule, T is the temperature, ΔS config is the first molecule before and after the bond, The batch entropy change of the second molecule and the crosslinked water molecule, and ΔS ext is the change of external entropy before and after binding.
제 11 항의 방법을 이용하여 수성(aqueous) 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 표준결합 자유에너지(standard binding free energy) 변화량(
Figure 112017103950415-pat00095
)을 측정하는 단계를 포함하는 수성 환경에서의 제1 분자 및 제2 분자의 결합여부를 예측하는 방법.
The amount of change in the standard binding free energy of the first molecule and the second molecule in the aqueous environment using the method of claim 11
Figure 112017103950415-pat00095
A method for predicting the binding of the first molecule and the second molecule in an aqueous environment comprising the step of measuring).
제 12 항에 있어서, 상기 방법은 상기 표준결합 자유에너지 변화량이 음의 값일 경우, 상기 제1 분자 및 제2 분자의 결합 가능성이 증가하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 12, wherein the method determines that the binding probability of the first molecule and the second molecule increases when the amount of change in the standard binding free energy is negative.
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