Rapid Sampling of Hydrogen Bond Networks for Computational Protein Design

计算机科学 氢键 协议(科学) 采样(信号处理) 成对比较 分布式计算 蛋白质设计 化学 蛋白质结构 人工智能 分子 有机化学 计算机视觉 病理 滤波器(信号处理) 替代医学 生物化学 医学
作者
Jack B. Maguire,Scott E. Boyken,David Baker,Brian Kuhlman
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:14 (5): 2751-2760 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.8b00033
摘要

Hydrogen bond networks play a critical role in determining the stability and specificity of biomolecular complexes, and the ability to design such networks is important for engineering novel structures, interactions, and enzymes. One key feature of hydrogen bond networks that makes them difficult to rationally engineer is that they are highly cooperative and are not energetically favorable until the hydrogen bonding potential has been satisfied for all buried polar groups in the network. Existing computational methods for protein design are ill-equipped for creating these highly cooperative networks because they rely on energy functions and sampling strategies that are focused on pairwise interactions. To enable the design of complex hydrogen bond networks, we have developed a new sampling protocol in the molecular modeling program Rosetta that explicitly searches for sets of amino acid mutations that can form self-contained hydrogen bond networks. For a given set of designable residues, the protocol often identifies many alternative sets of mutations/networks, and we show that it can readily be applied to large sets of residues at protein–protein interfaces or in the interior of proteins. The protocol builds on a recently developed method in Rosetta for designing hydrogen bond networks that has been experimentally validated for small symmetric systems but was not extensible to many larger protein structures and complexes. The sampling protocol we describe here not only recapitulates previously validated designs with performance improvements but also yields viable hydrogen bond networks for cases where the previous method fails, such as the design of large, asymmetric interfaces relevant to engineering protein-based therapeutics.
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