Einfluss von Tautomerie auf berechnete Bindungsaffinitäten

Eine zentrale Aufgabe von Computer-gestütztem Moleküldesign ist die Identifizierung potentiell wirksamer Verbindungen in Hinblick auf ein spezifisches molekulares Ziel, welches in der Pathobiologie einer Krankheit identifiziert wurde. Es werden nur die Verbindungen synthetisiert und experimentell getestet, für die ausreichende Wirksamkeit vorausgesagt wurde, wodurch sich Zeit und Kosten sparen lassen. Seit einigen Jahren sind sogenannte Freie Energie Simulationen in breiter Verwendung, welche im Prinzip die genaue Berechnung der Freien Bindungsenergie eines Liganden/Inhibitors zu einem Zielmolekül, typischerweise ein Protein, ermöglichen. Die Kenntnis des relevanten Freien Energieunterschieds ist wichtig, da diese Größe das fundamentale Kriterium darstellt, ob eine Reaktion, wie z.B. das Binden eines Liganden an ein Zielmolekül, von alleine ablaufen kann. Unter den Methoden zur Aktivitätsabschätzung sind Freie Energie Simulationen die rechnerisch am aufwendigsten, daher werden sie als letzte Kontrolle vor experimentellen Untersuchungen angewandt. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, dass die Resultate korrekt sind. Die Vorhersagekraft (d.h. die Genauigkeit der Ergebnisse) hängt von einer Anzahl von Faktoren ab. Eine mögliche Fehlerquelle ist das Vorhandensein von mehreren sogenannten tautomeren Formen eines Moleküls. Zwei tautomere Formen eines Moleküls enthalten dieselben Typen und Anzahl von Atomen, aber die Struktur des Moleküls unterscheidet sich in der Position eines Wasserstoffatoms. Gleichzeitig verschiebt sich die Position einer Doppelbindung. Tautomere Zustände haben unterschiedliche physiko-chemische Eigenschaften, die auch die Bindungsaffinitäten beinflussen können. Wird also die Möglichkeit eines alternativen tautomeren Zustands während einer Freien Energie Simulation übersehen, kann das zu einem systematischen Fehler führen. Die vorhandenen Daten suggerieren, dass dieser Fehler beträchtlich sein kann. Interessanterweise ist diese potentielle Fehlerquelle in Freien Energie Simulationen noch nicht im Detail untersucht worden. Dieses Projekt behandelt in drei Schritten den Einfluss von tautomeren Formen auf Bindungsaffinitäten, die mit Freien Energie Simultationen berechnet werden. Erstens werden wir Unterschiede in der Freien Bindungsenergie zwischen tautomeren Zuständen für mehrere Systeme berechnen, um dadurch ein besseres und systematisches Verständnis der Größe der potentiellen Fehler zu erlangen. Als zweiten Schritt wollen wir verschiedene Methoden zur Berechnung Freier Energieunterschiede in Hinblick auf die Berücksichtigung tautomerer Zustände vergleichen und herausfinden, welche die effizienteste ist. Der letzte Punkt dreht sich um die Frage, ob die klassisch-mechanischen Kraftfelder, die üblicherweise in Freien Energie Simulationen zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen angewandt werden, ausreichen, den Einfluss von tautomeren Zuständen korrekt zu beschreiben. In Hinblick darauf werden wir Hybridmethoden verwenden, in denen eine kleine Region mit quantenchemischen Methoden beschrieben wird (insbesondere die Verbindung, die in zwei oder mehr tautomeren Formen vorliegen kann), während der Rest des Systems wie üblich mit Kraftfeldern beschrieben wird.

Ob eine chemische oder biologische Reaktion im Prinzip freiwillig abläuft, wird durch die dabei benötigte oder frei werdende Freie Energie bestimmt. Aus diesem Grund ist es von großem Interesse, die freie Energiebilanz von Prozessen vorauszuberechnen. Eine wichtige praktische Anwendung ist die Bestimmung der freien Energiedifferenz für die Bindung eines Liganden an einen biologischen Rezeptor. Potenzielle Medikamente müssen spezifisch und effizient (die freie Energiedifferenz sollte möglichst negativ sein) an den intendierten Wirkungsort binden. Das Forschungsprojekt beschäftigte sich mit einem bis jetzt wenig beachteten Detail solcher Rechnungen: Viele chemische Substanzen, die potenzielle Medikamente sind, können in mehr als einer Form vorliegen, dies wird als Tautomerie bezeichnet. Um freie Energiedifferenzen für Bindungsprozesse korrekt zu berechnen, sollte die Rechnung mit der tatsächlich auftretenden tautomeren Form des Liganden durchgeführt werden bzw. falls mehrere tautomere Zustände beteiligt sind, müssen diese entsprechend gewichtet werden. Die Ausgangsfragestellungen waren, wie stark die Verwendung einer falschen tautomeren Form das Ergebnis beeinflusst und ob die für solche Rechnungen verwendete näherungsweise Beschreibung der intra- und intermolekularen Wechselwirkungen (sogenannte Kraftfelder) ausreicht. Unsere Ergebnisse wie auch die anderer Forschungsgruppen zeigen klar, dass die Verwendung des korrekten tautomeren Zustands (oder der korrekten Zustände) essenziell ist, die Schwierigkeiten jedoch über eine falsche Vorhersage der freien Bindungsenergie hinausgehen. Tautomere Zustände unterscheiden sich durch die Position eines polaren Wasserstoffatoms, welches Details der Bindungswechselwirkungen beeinflusst. Dadurch kann sich die Lage und Orientierung des Liganden in der Bindungstasche ändern. Die Simulation solcher Umordnungen ist höchst aufwendig, und wir mussten Werkzeuge entwickeln, um derartige Rechnungen mit der nötigen Effizienz vorzunehmen. Das auf GitHub frei verfügbare Programmpaket "transformato" ist ein zentrales Ergebnis des Projekts. Mit "transformato" erhaltene Ergebnisse zeigen auch klar die beschränkte Nützlichkeit von Kraftfeldern auf. Um diese Fehlerquelle zu vermeiden, müssen Berechnungen von freien Energiedifferenzen mit Multiskalenmodellen der Beschreibung der Wechselwirkungen verfeinert werden. Dies war bereits vor Projektbeginn einer unserer Forschungsschwerpunkte, im Rahmen des Projekts wurden große Fortschritte gemacht, um derartige Rechnungen auch effizient durchzuführen. Erste Anwendungen auf die oben beschriebene Problematik von Tautomerie sind in Arbeit. Die Projektergebnisse bestätigen die Wichtigkeit den (die) korrekte(n) tautomere(n) Form(en) eines Liganden in freien Energierechnungen zu berücksichtigen. Gleichzeitig wurde klar, dass die dabei auftretenden Schwierigkeiten beträchtlich sind. Mit dem Programmpaket "transformato" und der Entwicklung effizienter und korrekter Methoden, Ergebnisse die mit Kraftfeldern gewonnen wurden mit Multiskalenmodellen zu verfeinern, wurden die notwendigen Grundlagen geschaffen, den Einfluss von Tautomerie auf die Berechnung von freien Energiedifferenzen für Bindungsprozesse zu verstehen und in Zukunft richtig handzuhaben.