New approaches to protein docking

Abstract

In the first part of this work, we propose new methods for protein docking. First, we present two approaches to protein docking with flexible side chains. The first approach is a fast greedy heuristic, while the second is a branch -&-cut algorithm that yields optimal solutions. For a test set of protease-inhibitor complexes, both approaches correctly predict the true complex structure. Another problem in protein docking is the prediction of the binding free energy, which is the the final step of many protein docking algorithms. Therefore, we propose a new approach that avoids the expensive and difficult calculation of the binding free energy and, instead, employs a scoring function that is based on the similarity of the proton nuclear magnetic resonance spectra of the tentative complexes with the experimental spectrum. Using this method, we could even predict the structure of a very difficult protein-peptide complex that could not be solved using any energy-based scoring functions. The second part of this work presents BALL (Biochemical ALgorithms Library), a framework for Rapid Application Development in the field of Molecular Modeling. BALL provides an extensive set of data structures as well as classes for Molecular Mechanics, advanced solvation methods, comparison and analysis of protein structures, file import/export, NMR shift prediction, and visualization. BALL has been carefully designed to be robust, easy to use, and open to extensions. Especially its extensibility, which results from an object-oriented and generic programming approach, distinguishes it from other software packages.

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit neuen Ansätzen zum Proteindocking. Zunächst stellen wir zwei Ansätze zum Proteindocking mit flexiblen Seitenketten vor. Der erste Ansatz beruht auf einer schnellen, gierigen Heuristik, während der zweite Ansatz auf branch-&-cut-Techniken beruht und das Problem optimal lösen kann. Beide Ansätze sind in der Lage die korrekte Komplexstruktur für einen Satz von Testbeispielen (bestehend aus Protease-Inhibitor-Komplexen) vorherzusagen. Ein weiteres, grösstenteils ungelöstes, Problem ist der letzte Schritt vieler Protein-Docking-Algorithmen, die Vorhersage der freien Bindungsenthalpie. Daher schlagen wir eine neue Methode vor, die die schwierige und aufwändige Berechnung der freien Bindungsenthalpie vermeidet. Statt dessen wird eine Bewertungsfunktion eingesetzt, die auf der Ähnlichkeit der Protonen-Kernresonanzspektren der potentiellen Komplexstrukturen mit dem experimentellen Spektrum beruht. Mit dieser Methode konnten wir sogar die korrekte Struktur eines Protein-Peptid-Komplexes vorhersagen, an dessen Vorhersage energiebasierte Bewertungsfunktionen scheitern. Der zweite Teil der Arbeit stellt BALL (Biochemical ALgorithms Library) vor, ein Rahmenwerk zur schnellen Anwendungsentwicklung im Bereich MolecularModeling. BALL stellt eine Vielzahl von Datenstrukturen und Algorithmen für die FelderMolekülmechanik,Vergleich und Analyse von Proteinstrukturen, Datei-Import und -Export, NMR-Shiftvorhersage und Visualisierung zur Verfügung. Beim Entwurf von BALL wurde auf Robustheit, einfache Benutzbarkeit und Erweiterbarkeit Wert gelegt. Von existierenden Software-Paketen hebt es sich vor allem durch seine Erweiterbarkeit ab, die auf der konsequenten Anwendung von objektorientierter und generischer Programmierung beruht.