Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7171
Free-Energy Simulations
using Stochastic Optimization Methods for Protein Structure Prediction
Alexander Schug
Abstract
The prediction of
protein tertiary structure and the understanding of the folding process remains
one of the outstanding challenges in biological physics. While theoretical
models for protein structure prediction that partially rely on experimental
information have shown consistent Progress, the development of de-novo
stategies that rely on sequence information alone is much more complicated. If
one assumes that a protein is in thermodynamic equilibrium with its
environment, its native state corresponds to the global minimum of its
free-energy landscape. The free-energy of the system is accessible by ensemble
averaging of the combined intemal energy of protein and solvent, or directly in
a free-energy forcefield. Here an implicit solvation model approximates
interactions of the system protein and solvent as well as most of the entropic
contributions. As a major challenge remains the search for the global minimum
for which different stochastic optimization methods were developed and applied.
Using these methods it was possible to predict the structure of helical
proteins from different protein families ranging in size from 20 to 60 amino
acids. Starting with random initial conformations we achieved a high agreement
with experimental data.
Freie Energie Simulationen
mittels stochastischer Optimierungsmethoden für die Proteinstruktur
Zusammenfassung
Die Vorhersage der
Tertiärstruktur eines Proteins und das Verständnis des zugehörigen
Faltungsvorganges stellen eine große Herausforderung in der biologischen Physik
dar. Obwohl theoretische Modelle für die Proteinstrukturvorhersage, die auf
experimentelle Daten zurückgreifen, ständigen Fortschritt zeigen, ist die
Entwicklung von Methoden, die einzig auf die Sequenzinformation zurückgreifen,
um ein vielfaches aufwändiger. Unter der Annahme, dass der native Zustand eines
Proteins im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung ist, entspricht
dieser dem globalen Minimum seiner freien Energie. Die freie Energie des
Systems ist entweder über eine Ensemble Mittlung der kombinierten inneren
Energien von Protein und Solvent zugänglich oder man greift direkt auf ein
geeignetes Kraftfeld für die freie Energie zurück. In dieser Arbeit nähert ein
implizites Lösungsmittelmodell die Wechselwirkungen des Systems Protein-Solvent
sowie die wesentlichen entropischen Beiträge an. Es verbleibt die
Herausforderung der globalen Minimierung, für die verschiedene stochastische
Optimierungsstrategien entwickelt und angewandt worden sind. Mittels dieser
Methoden war es möglich, die native Struktur verschiedener helikaler Proteine
der Größe 20 bis 60 Aminosäuren erfolgreich von zufälligen Startstrukturen
ausgehend vorherzusagen. Diese Strukturen sind in hoher Übereinstimmung mit
experimentellen Daten.
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