Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Разработана новая методика расчета параметров гидратации (свободная энергия гидратации) и связывания (конcтанта и свободная энергия связывания) комплекса белок-лиганд, позволяющая проводить вычисления в ограниченной области гидратной оболочки комплекса (вблизи места присоединения лиганда к белку). Методика обеспечивает реализацию задачи повышения скорости расчетов. На основе разработанной методики создан и имплементирован в собственную 3D-RISM программу численный алгоритм. 2. Разработанная методика апробирована на примере комплексов белок-лиганд в водном растворе (белок – тирозинфосфатаза PTP1B; соединения-лиганды 2HB1 и 2QBP. Дополнительная апробация проведена также на большом белковом комплексе: белок hACE2 - S-белок вируса SARS-CoV-2. Для указанных комплексов были определены свободные энергии связывания, полученные как в рамках традиционной методики расчета по всей гидратной оболочке, так и в рамках новой методики расчета в ограниченной области гидратной оболочки. Показано, что в сравнении с традиционной методикой использование новой позволяет кратно сократить скорость расчетов и объем оперативной памяти, что подтверждает ее эффективность. 3. С использованием разработанной методики установлены следующие особенности образования комплексов белок-лиганд: 3.1. Показано, что образование комплексов PTP1B-2HB1 / 2QBP происходит напрямую, без участия связывающих, «мостиковых» молекул воды. Установлены аминокислотные остатки белка, отвечающие за его связывание с лигандами. 3.2. Для комплекса hACE2–S-белок SARS-CoV-2 установлено, что молекулы межфазной воды сильно взаимодействуют с RBD-доменом S-белка, а также с субъединицами N-концевого пептидазного домена hACE2. Показано, что формирование комплекса происходит с участием связывающих, «мостиковых» молекул воды, что отличает систему (hACE2–S-белок)aq от систем (PTP1B–2HB1)aq и (PTP1B–2QBP)aq. Установлено, что между SARS-CoV-2 и hACE2 формируются прочные Н-связи, что позволяет предположить, что «мостиковые» молекулы воды играют значительную роль в стабилизации комплекса hACE2– S-белок SARS-CoV-2. Результаты опубликованы в статье: https://doi.org/10.3390/molecules27030799 Q1, IF = 4.927 4. Сравнение результатов по свободным энергиям гидратации и связывания с литературными данными показало, что несмотря эффективность разработанной методики, позволяющей кратно увеличить скорость расчета, точность получаемых характеристик по-прежнему остается невелика. Поэтому для повышения точности расчетов была выполнена параметризация функционала свободной энергии сольватации (гидратации). 5. Выполнен первый этап в рамках разработки трехмерной версии метода RSDFT для расчета структурных и термодинамических параметров сольватации и комплексообразования молекул произвольной формы и размера, включая сложные биомолекулы. На основе молекулярно-атомного формализма построена методология расчетов для низкомолекулярных соединений. В методологии использовано двойное представление функционалов свободной энергии – через атомную плотность и потенциал межмолекулярного взаимодействия, индуцированный растворителем, а также специальная процедура перенормировки на внутримолекулярный структурный фактор. Последняя позволила свести формализм интегральных RSDFT-уравнений к интегральным уравнениям типа Орнштейна-Цернике, а математическую задачу их решения к итерационному процессу решения. 6. Проведена апробация метода 3D-RSDFT на примере низкомолекулярных соединений с числом атомов от десятков до нескольких сотен. Получены структурные и термодинамические параметры гидратации аминокислот глицина (Gly), треонина (Thr), лейцина (Leu) и белка-ингибитора трипсина бычьей поджелудочной железы (BPTI). Выполнена верификация результатов метода 3D-RSDFT путем сравнения с результатами методов МД и 3D-RISM и литературными данными. Установлены следующие особенности гидратации биомолекул: 6.1. Определено, что аминокислоты имеют хорошо определенный гидратный слой, в котором находятся 17.2 молекул воды в случае Gly, 26.4 молекул в случае Leu, 27.8 молекул в случае Thr с их преимущественным расположением вблизи амино- и карбоксильных групп, а в случае Thr еще и вблизи гидроксильной группы. Все аминокислоты способны к Н-связыванию с водой через гидрофильные группы. Полученные данные хорошо согласуются с современными представлениями о структуре гидратной оболочки аминокислот. Оценка свободных энергий гидратации аминокислот показала, что методы, основанные на формализме интегральных уравнений, дают заниженные значения ΔGhydr для Gly, Leu, Thr (в среднем, в 2-2,5 раза) по сравнению с данными МД и литературными данными. 6.2. Показано, что использованные в исследовании методы успешно воспроизводят в водном растворе кристаллическую структуру BPTI с 4-мя внутренними молекулами воды. Полученные результаты хорошо согласуются между собой, а также с экспериментальными рентгеноструктурными данными. Параметры 3D-гидратной структуры (толщина гидратной оболочки и гидратные числа) BPTI определяли как для всего белка, так и для его полярной и неполярной частей. Анализ результатов с использованием традиционного способа определения толщины слоя по положению 1- го минимума, rcut, соответствующих функций радиального распределения показал, что ненадлежащий выбор rcut может дать неправильную оценку толщины слоя, и как результат, привести к значительному расхождению в числах гидратации и, таким образом, к некорректному описанию гидратации белка. Предложена новая процедура определения толщины гидратного слоя произвольной молекулы, в основе которой лежит идея учета свойств гидратного слоя (повышенная относительная плотность растворителя в слое и пониженная на его границах). Предложенная методология проста, эффективна и показала свою работоспособность как в методах, основанных на формализме интегральных уравнений, так и в методе МД. Процедура была успешно апробирована на Gly, Leu, Thr, а затем применена для BPTI. С использованием предложенной методологии была определена толщина гидратного слоя BPTI, которая составила 3,6 Å с 369 молекулами воды в случае MD-моделирования и 3,9 Å с 333 молекулами воды в методах, основанных на формализме интегральных уравнений. Предложенная процедура применялась также для более детального описания гидратной структуры BPTI вблизи положительно и отрицательно заряженных радикалов, а также вблизи незаряженных радикалов. Результаты опубликованы в статье: https://doi.org/10.3390/ijms232314785; Q1, IF = 6.208. Из оценки свободной энергии гидратации BPTI следует, что значение этой величины отличается от литературных данных почти в 3 раза. 6.3. Результаты верификации 3D-RSDFT данных показывают, что метод дает корректные структурные параметры гидратации низкомолекулярных соединений, а для аккуратной оценки термодинамических параметров гидратации требуется параметризация функционала свободной энергии сольватации (гидратации). 7. Выполнена параметризация функционала свободной энергии сольватации, основанная на введении в функционал полуэмпирических поправок, зависящих от заряда и парциального молярного объема молекулы растворенного вещества.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Выполнен второй этап разработки трехмерной версии метода RSDFT для расчета структурных и термодинамических параметров сольватации и комплексообразования молекул произвольной формы и размера, включая сложные биомолекулы, содержащие сотни и тысячи атомов, а именно – расширена разработанная на основе молекулярно-атомного формализма методология на системы с большим числом частиц. В методологии использовано двойное представление функционалов свободной энергии – через атомную плотность и потенциал межмолекулярного взаимодействия, индуцированный растворителем, а также специальная процедура перенормировки на внутримолекулярный структурный фактор. Модифицирован соответствующий программный пакет. 2. В пакет программ имплементированы разработанные за первый год выполнения проекта алгоритмы расчетов конcтанты и энергии связывания комплекса белок-лиганд в ограниченной области гидратной оболочки и параметризированного функционала свободной энергии сольватации (гидратации). 3. Разработанный метод апробирован на примере белка-мишени, лекарственных соединений-лигандов, комплексов белок-лиганд в водном растворе (белок – тирозинфосфатаза PTP1B; соединения-лиганды 2HB1 и 2QBP). Установлены следующие особенности гидратации биомолекул и особенности образования комплексов белок-лиганд: 3.1. Показано, лиганды и белок PTP1B в несвязанном и связанном состояниях хорошо гидратированы. При связывании лиганды испытывают значительную дегидратацию по сравнению с белком. При этом первая гидратная оболочка комплекса содержит практически такое же количество молекул воды, как и связанный белок, что обусловлено частичным «обобществлением» молекул воды белком и лигандом в комплексе. Факт незначительной дегидратации белка при его переходе в связанное состояние подтверждается незначительным уменьшением площади поверхности белка, доступной для растворителя. Установлено, что домен сайта связывания белка, когда последний находится в комплексе с лигандом, также хорошо гидратирован. При связывании белка с лигандом домен частично дегидратируется, что вызвано вытеснением лигандом части молекул воды из области активного центра. 3.2. Обнаружено, что оба лиганда полностью «погружены» в домен активного центра белка. При этом большая часть аминокислотных остатков домена, вблизи которых расположен лиганд, принадлежит петлям активного центра (P-петля, pTyr-петля, WPD-петля и Q-петля). В исследованных комплексах в области активного центра PTP1B определены возможные Н-связи между активным центром и водой, лигандом и водой, активным центром и лигандом, в том числе, в последнем случае с участием «мостиковых» молекул воды. С использованием параметризированного функционала свободной энергии сольватации, для комплексов рассчитана свободная энергия связывания, значения которой удовлетворительно согласуются с экспериментальными. Из полученных данных следует, что лиганд 2QBP обладает бОльшим сродством к PTP1B по сравнению с 2HB1, и, следовательно, более предпочтителен как ингибитор для данного белка. 4. Проведенная верификационная оценка полученных результатов показала, что предложенный метод позволяет успешно в деталях и одновременно целостно описывать структуру гидратной оболочки биомолекул. Метод дает возможность пространственного представления их ближнего окружения с определением локализации растворителя вблизи их полярных и неполярных участков, а также количественной оценки их гидратации с помощью гидратных чисел и количества Н-связей. Метод позволяет найти расположение «внутренних» молекул воды, обеспечивающих стабилизацию структуры белка и белковых комплексов и описать особенности гидратации белка и его связывания с лигандами в области его активного центра. Использование параметризированного функционала свободной энергии сольватации позволяет существенно увеличить точность расчета свободной энергии связывания белка с лигандами. Вышесказанное позволяет утверждать об эффективности нового предложенного подхода для исследований сольватации и комплексообразования молекул произвольной формы и размера, включая сложные биомолекулы, содержащие сотни и тысячи атомов. Результаты выполнения работ по проекту за 2-ой год его реализации были представлены в трех устных докладах на конференциях: VII Съезд биофизиков России, Краснодар, Россия, 17-23 апреля 2023 г. (http://rusbiophysics.ru/db/conf.pl?cid=1&lang=ru&div=9); 38 Международная конференция по химии растворов (the 38th International Conference on Solution Chemistry - 38ICSC), Белград, Сербия, 9-14 июля 2023 г. (https://icsc2023.pmf.uns.ac.rs/); XXXV Симпозиум «Современная химическая физика» Туапсе, Россия, 18-28 сентября 2023 г. (https://www.chemicalphysics.ru/) и опубликованы в статьях: S.E. Kruchinin, G.N. Chuev, M.V. Fedotova, Journal of Molecular Liquids 384 (2023) 122281; https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122281, Q1, IF = 6.0; С.Е. Кручинин, М.В. Федотова, Е.Е. Кислинская, Г.Н. Чуев, Биофизика, 2003, т. 68, №5, С. 837-849. DOI: 10.31857/S0006302923050010, Q4, K3, IF = 0.205; G.N. Chuev, S.E. Kruchinin, M.V. Fedotova, Investigation of biomolecular solvation by classical site density functional theory (The 7th Congress of Biophysicists of Russia - conference proceedings). Biophys Rev (2023) V. 15, N 5. P. 169 (S5.310). https://doi.org/10.1007/s12551- 023-01150-w, Q1, IF = 9.8 (Scopus)