Новый подход к дизайну белков с использованием многосайтовой λ-динамики: точные и масштабируемые свободные энергии фолдинга мутантов лизоцима T4

Оценка изменений свободной энергии при мутациях является центральной задачей дизайна белков. Современные методы дизайна белков продемонстрировали выдающиеся результаты для широкого спектра целевых систем, однако при связывании лигандов и дизайне ферментов они достигают своих пределов из-за недостаточной точности определения свободных энергий мутаций. Алхимические расчёты свободной энергии способны дополнить современные методы дизайна благодаря более точному прогнозированию изменений свободной энергии на основе молекулярной динамики, однако требуют значительных вычислительных ресурсов. Многосайтовая λ-динамика (MSλD) представляет собой особенно эффективный и масштабируемый метод расчёта свободной энергии, который потенциально позволяет исследовать комбинаторно большие пространства последовательностей, недоступные для других методов расчёта свободной энергии. Цель данной работы — количественно оценить точность MSλD и продемонстрировать его масштабируемость. Мы применяем MSλD к классической задаче расчёта свободных энергий фолдинга лизоцима T4 — системы, для которой имеется большое количество экспериментальных измерений. Односайтовые мутанты, включающие 32 мутации, демонстрируют замечательное согласие с экспериментом: коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,914, а средняя абсолютная ошибка — 1,19 ккал/моль. Многосайтовые мутанты в системах, содержащих до пяти одновременно внесённых мутаций и охватывающих 240 различных последовательностей, также демонстрируют сопоставимое согласие с экспериментом. Эти результаты подтверждают перспективность MSλD для исследования больших пространств последовательностей в задачах дизайна белков.