Improvements of the Density-Functional Tight-Binding Parameters and Their Application in Histidine Kinase

Zweikomponentensysteme (Two Component Systems, TCS) sind einer der wichtigsten Signaltransduktionswege in Bakterien. Durch dieses System nehmen Bakterien ihre Umgebung wahr und regulieren ihre zellulären Aktivitäten. Histidinkinasen (HK) sind ein wichtiger Bestandteil von TCS. Obwohl TCS von einigen Eukaryoten genutzt werden, fehlen sie insbesondere im Tierreich. Aus diesem Grund und wegen ihrer Bedeutung für den bakteriellen Lebenszyklus sind Histidinkinasen ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung von Medikamenten zur Bekämpfung bakterieller Aktivitäten. Sie sind außerdem
... mehr
strukturell konserviert und weisen einige gemeinsame intermolekulare Funktionalitäten in jedem TCS auf, nämlich Autokinase-, Phosphotransfer- und Phosphatase-Aktivitäten. Diese Vorgänge sind für Biochemiker äußerst faszinierend, um bakterielle Aktivitäten zu verstehen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Analyse der Histidin-Phosphorylierung, einem wichtigen Vorgang in TCS. Wir haben die chemischen Schritte der Autophosphorylierung in einer umfassenden QM/MM Hybrid Enhanced Sampling Simulation untersucht und den detaillierten Mechanismus aufgedeckt. Die darauffolgende Autophosphorylierung innerhalb der DHp-Domäne verläuft über einen pentakoordinierten Übergangszustand zu einem protonierten Phosphohistidin-Intermediat. Dieses wird anschließend durch eine geeignete benachbarte Base deprotoniert. Die Energetik der Reaktion wird durch den endgültigen Protonenakzeptor und die Anwesenheit eines Magnesiumkations gesteuert. Wir haben die DFTB3-Parameter für die Phosphor-Stickstoff-Wechselwirkung neu parametrisiert und an einer Krebsmedikamenten-Hydrolysereaktion gemessen. Anschließend
wendeten wir diese Parameter auf unser Hauptziel, die Untersuchung der Reaktion in der Histidin-Kinase in einer QM/MM-Simulation, an. Des Weiteren haben wir ein künstliches neuronales Netz auf dieselbe Arzneimittelhydrolysereaktion angewendet, um die DFTB-Energien als alternative Methode quantitativ zu verbessern. Darüber hinaus haben wir auch die Schwefel-Schwefel-Abstoßungsparameter neu parametrisiert, um die Disulfid-Thiol-Austauschreaktion zu verbessern, und die potenzielle Energie des DFT(B3LYP)-Niveaus mit DFTB reproduziert. Dies wurde anschließend auf die Disulfid-Thiol-Austauschreaktion in QM/MM-Simulationen von Proteinen angewandt.

Two component systems (TCS) are one of the main signal transduction pathways in bacteria. Through these systems bacterias sense their environment and regulate their cellular activities. Histidine kinases (HK) are a vital component of TCS. Though TCS are employed by some eukaryotes, they are especially missing from the animal kingdom. For this particular reason and because of their importance in the bacterial life cycle, histidine
kinases are a promising target for developing drugs to combat bacterial activities. They are also structurally conserved and exhibit some common inter-molecular events in every TCS, which are autokinase, phosphotransfer, and phosphatase activities. ... mehrThese events are highly fascinating for bio-chemists to understand bacterial activities. The main goal of this thesis is to analyze histidine-phosphorylation, a vital event in TCS. We have studied the chemical steps of auto-phosphorylation in an extensive QM/MM hybrid enhanced sampling simulation and unveiled the detailed mechanism. The
subsequent auto-phosphorylation inside the DHp domain proceeds via a penta-coordinated transition state to a protonated phosphohistidine intermediate. Then, this intermediate is consequently deprotonated by a suitable nearby base. The reaction energetics are controlled by the final proton acceptor and presence of a magnesium cation. We re-parameterised the DFTB3 parameters for the phosphorus-nitrogen interaction and benchmarked it on a cancer drug hydrolysis reaction. Afterwards, we applied these parameters to our main goal, studying the reaction in histidine kinase in a QM/MM simulation. We further used an artificial neural network on the same drug hydrolysis reaction to improve DFTB energies quantitatively as an alternative method. In addition, we also re-parameterised the sulfur-sulfur repulsive parameters to improve the disulfide-thiol exchange reaction and reproduced the DFT(B3LYP) level potential energy using DFTB. This was then applied to the disulfide-thiol exchange reaction in QM/MM simulations of proteins.