Molecular Dynamics Studies on SARS-CoV-2 Neutralizing Antibodies and Kynureninases

Abstract

The dynamic role of proteins in vivo has become perceived increasingly important in the field of therapeutics. Therapeutic proteins possess specific functions that contribute to disease alleviation when they interact with specific disease target molecules: invoking immune responses, catalyzing biochemical reactions, transporting molecules, and assembling into membranes without interfering with other biological pathways. However, limited understanding of protein-protein and protein-ligand interactions still hinders effective development of protein therapeutics. In this thesis, molecular interactions occurring in functional proteins, such as antibodies and enzymes, are investigated with a focus on binding thermodynamics and kinetics, respectively. This is achieved through atomic-level molecular dynamics simulations and statistical analysis of residue-wise binding free energies and residence times. First, the simultaneous formation of multiple contacts between antibodies and their target proteins (SARS-CoV-2 RBD) was observed to contributes to favorable binding affinity. Second, 𝛑-interactions, facilitated by hydrogen bonds formed between residues in enzyme and its substrate, was found to stabilize the binding pose and to improve binding kinetics upon substrate binding, resulting in longer residence times. These studies provide enhanced understanding of detailed atomic contributions in molecular interactions of therapeutic proteins and hence, new strategies for improved design of protein therapeutics.

생체 내에서 단백질의 동적 역할이 단백질 치료제 분야에서 매우 중요하게 다뤄지고 있다. 단백질은 다른 생물학적 경로를 방해하지 않으면서 면역 반응 유도, 생화학적 반응 촉매화, 분자 운송, 그리고 막단백질 형성 등 질병 완화에 특정하면서도 다양한 역할을 한다. 그러나 단백질-단백질과 단백질-리간드 상호작용에 대한 제한된 지식이 단백질 치료제의 발전을 어렵게 만든다. 본 논문에서는 항체나 효소와 같은 기능성 단백질의 분자 상호작용을 결합 열역학과 운동학의 관점에서 연구한다. 본 연구는 원자 단위의 분자동역학 시뮬레이션과 단백질 결합 구조의 잔기별 결합 자유 에너지 계산과 단백질에 결합된 리간드의 체류 시간 계산 결과를 통계적으로 분석하여 수행되었다. 먼저, 항체와 표적 단백질 사이에 동시에 다중의 상호작용이 형성될 때 결합 친화도가 좋아짐을 보인다. 그리고 효소 잔기와 리간드 사이에 형성되는 수소 결합에 의해 발생하는 𝛑-상호작용이 안정적인 결합 구조를 유지하며, 이것이 효소와 리간드 결합 구조의 긴 체류 시간과 결합 운동학 향상에 영향을 미침을 보인다. 이러한 연구를 통해 우리는 단백질에서 일어나는 분자 상호작용에 대한 이해도를 높이고, 나아가 단백질 치료제 디자인 향상에 새로운 전략을 제시하는 데에 기여함을 목표로 한다.