New Strategies in Conformation Dynamics: Investigation of the µ-opioid receptor in healthy and inflamed tissue

Abstract

The aim of conformation dynamics is the identification of metastable sets in the molecular conformation space, and the computation of their statistical weights. Because of the high dimensionality of the state space, coarse graining methods attempt to improve the computational performance by reducing the representation of a molecule’s dynamics without losing relevant details. In this doctoral thesis, a coarse graining method in time, by clustering motions of particles according to a certain criterion, and a coarse graining strategy in space, by revealing a hierarchy in the descriptors of a protein, are developed. To find the global statistical weights of the metastable sets, reweighting strategies are necessary. We present two novel techniques that permit a direct calculation of statistical weights, both based on the estimation of free energy differences. The first method requires an inverse balance condition that leads to a direct calculation of the statistical weights as eigenvalues of a transition matrix. The second approach approximates entropy differences between metastable sets to derive according free energy differences. The performance of the novel strategies is tested on several small examples before applying them to the µ-opioid receptor. The µ-opioid receptor is a transmembrane protein, especially important for the perception and the alleviation of pain. A medication with analgesics like morphine can lead to serious side effects. Therefore, it is desirable to find an opioid that activates the µ-opioid receptor in the inflamed tissue only. The intent of this doctoral thesis is to analyze the µ-opioid receptor in order to find possible reasons for the known better effect of analgesics in inflamed tissue. We model the receptor in a simulation box, embedded in a membrane and solvated with water, both in healthy and inflamed tissue, propose different hypotheses that may cause the better effect of the receptor in inflamed tissue, and investigate electrostatic potentials, Coulomb interactions, and conformational changes for the analysis of the receptor’s behavior.

In der vorliegenden Dissertation werden neu erarbeitete Methoden der Konformationsdynamik für die computergestützte Untersuchung des µ-Opioidrezeptors verwendet. Dieser Rezeptor ist ein transmembranes Protein, welches insbesondere für die Wahrnehmung und die Linderung von Schmerz wichtig ist. Eine Behandlung mit den momentan verfügbaren Schmerzmitteln ist jedoch mit verschiedenen, teilweise schwerwiegenden Nebenwirkungen verbunden. Daher ist es erstrebenswert, ein Schmerzmittel zu entwickeln, welches nur im entzündeten Gewebe wirkt und somit nebenwirkungsarm bzw. -frei ist. Vorausgegangene Untersuchungen des Rezeptors bezüglich der Wirkung von Schmerzmitteln zeigten bereits, dass Analgetika eine bessere Wirkung im entzündeten Gewebe erzielen, welches insbesondere durch einen niedrigen pH-Wert gekennzeichnet ist. In dieser Doktorarbeit werden mögliche Gründe für das unterschiedliche Verhalten des Rezeptors im gesunden und entzündeten Gewebe erörtert. Im ersten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit der Konformationsdynamik. Nach einer Einführung in die Theorie der molekularen Simulation werden neue Methoden vorgestellt, mit denen die Rechenleistung in der Konformationsdynamik stark verbessert werden kann. Zunächst wollen wir die hohe Dimensionalität des Konformationsraums durch Coarse Graining Methoden reduzieren. Die erste Methode clustert die Bewegungen von Partikeln nach bestimmten Kriterien, dabei handelt es sich um ein Coarse Graining der Zeit basierend auf Markov State Models. Die zweite Methode erzielt eine Beschreibung von relevanten Bewegungen durch wenige Deskriptoren anstatt des hochdimensionalen Zustandsvektors. Im nächsten Schritt stellen wir zwei neue Strategien für eine direkte Berechnung von statistischen Gewichten metastabiler Mengen vor, die auf der Schätzung von Differenzen der freien Energie basieren. Der erste Ansatz erfordert eine inverse Detailed Balance Bedingung, der zweite approximiert Entropiedifferenzen. Im zweiten Teil erfolgt die computergestützte Analyse des µ-Opioidrezeptors unter Verwendung der vorgestellten Methoden. Die zuvor aufgestellten Hypothesen, warum Analgetika im entzündeten Gewebe besser wirken, sollen geprüft werden. Im ersten Abschnitt untersuchen wir die Coulomb-Interaktionen zwischen Rezeptor und Ligand und erkennen, dass diese im entzündeten Gewebe einen geringeren Einfluss haben als im gesunden Gewebe. Im zweiten Abschnitt analysieren wir die Konformationen des µ-Opioidrezeptors im gesunden und entzündeten Gewebe mit dem Resultat, dass es im entzündeten Gewebe eine klar präferierte Konformation gibt, wohingegen es im gesunden Gewebe mehrere ähnlich wahrscheinliche Konformationen gibt. Auch wenn diese theoretischen Berechnungen nicht praktische Untersuchungen ersetzen können, geben unsere Resultate Hinweise darauf, dass die bessere Wirksamkeit von Schmerzmitteln im entzündeten Gewebe unter anderem in der Konformationsänderung begründet liegt.