1. Accurate Force Fields for Spectroscopic Studies of Protein–Ligand Interactions and Self-Assembly Structures
- Author
-
Todarwal, Yogesh and Todarwal, Yogesh
- Abstract
The computational prediction of complex molecular behaviors is an essen- tial component of modern chemistry, as it provides a faster and more cost- effective way to explore molecular interactions that may be difficult or even impossible to study experimentally. Molecular dynamics (MD) simulations of- ten serve as a valuable tool for such predictions; however, their accuracy is inherently dependent on the force field (FF) parameters employed. While the general amber force field (GAFF) is designed to provide reasonable results for a broad array of small molecules, it often requires further refinement when using it for a specific small organic molecule. Especially for ligands of the oligothiophene class, the dihedral potential representing the rotatable bond between the two thiophene rings (of the SCCS type) is inadequately described. An objective of this dissertation is to refine FF parameters for producing meaningful MD trajectories that capture key molecular interactions, binding modes, and thermodynamic properties, and subsequent accurate calculations of spectroscopic properties. The refined FF parameters were first tested by comparing the dihedral potential derived from the FF method to the density functional theory (DFT) based dihedral potential. They were then validated by assessing the relative energies of conformers optimized using both FF and DFT methods, and by comparing the transition wavelengths calculated based on geometries optimized with both FF and DFT approaches. Importantly, the errors in dihedral potential were kept below 1 kcal/mol, and the discrepancies in transition energies were less than 0.1 eV for molecular transitions around 5 eV. This FF parametrization methodology was used in research studies focus- ing on two classes of supramolecular systems: host-guest chemistry related to neurodegenerative diseases, and self-assembly systems for material development. Specifically, we examine host-guest interactions involving proteins such as amyloid-b, Den beräkningsmässiga förutsägelsen av komplext molekylärt beteende är en viktig komponent i modern kemi, eftersom det ger ett snabbare och mer kostnadseffektivt sätt att utforska molekylära interaktioner som kan vara svåra eller till och med omöjliga att studera experimentellt. Molecular dynamics (MD)-simuleringar fungerar ofta som ett värdefullt verktyg för sådana förut- sägelser; deras noggrannhet är emellertid i sig beroende av de använda kraft- fältsparametrarna (FF). Medan det allmänna bärnstenskraftfältet (GAFF) är utformat för att ge rimliga resultat för ett brett spektrum av små molekyler, kräver det ofta ytterligare förfining när det används för en specifik liten or- ganisk molekyl. Speciellt för ligander av oligotiofenklassen är den dihedrala potentialen som representerar den roterbara bindningen mellan de två tiofen- ringarna (av SCCS-typ) otillräckligt beskriven. Ett syfte med denna avhandling är att förfina FF-parametrar för att pro- ducera meningsfulla MD-banor som fångar viktiga molekylära interaktioner, bindningslägen och termodynamiska egenskaper, och efterföljande noggranna beräkningar av spektroskopiska egenskaper. De förfinade FF-parametrarna testades först genom att jämföra den dihedrala potentialen härledd från FF- metoden med den densitetsfunktionella teorin (DFT)-baserade dihedrala po- tentialen. De validerades sedan genom att bedöma de relativa energierna för konformers optimerade med både FF- och DFT-metoder, och genom att jäm- föra övergångsvåglängderna som beräknats baserat på geometrier optimerade med både FF- och DFT-metoder. Viktigt är att felen i dihedrisk potential hölls under 1 kcal/mol, och avvikelserna i övergångsenergier var mindre än 0,1 eV för molekylära övergångar runt 5 eV. Denna FF-parametriseringsmetodik användes i forskningsstudier med fokus på två klasser av supramolekylära system: värd-gäst-kemi relaterad till neu- rodegenerativa sjukdomar, och
- Published
- 2024