The stochastic drift-diffusion (DrDiff) theory is an approach used to characterize the dynamical properties of simulation data. With new features in transition times analyses, the framework characterized the thermodynamic free-energy profile [F(Q)], the folding time (τf), and transition path time (τTP) by determining the coordinate-dependent drift-velocity [v(Q)] and diffusion [D(Q)] coefficients from trajectory time traces. In order to explore the DrDiff approach and to tune it with two other methods (Bayesian analysis and fep1D algorithm), a numerical integration of the Langevin equation with known D(Q) and F(Q) was performed and the inputted coefficients were recovered with success by the diffusion models. DrDiff was also applied to investigate the prion protein (PrP) kinetics and thermodynamics by analyzing folding/unfolding simulations. The protein structure-based model, the well-known Go¯-model, was employed in a coarse-grained Cα level to generate long constant-temperature time series. PrP was chosen due to recent experimental single-molecule studies in D and τTP that stressed the importance and the difficulty of probing these quantities and the rare transition state events related to prion misfolding and aggregation. The PrP thermodynamic double-well F(Q) profile, the “X” shape of τf(T), and the linear shape of τTP(T) were predicted with v(Q) and D(Q) obtained by the DrDiff algorithm. With the advance of single-molecule techniques, the DrDiff framework might be a useful ally for determining kinetic and thermodynamic properties by analyzing time observables of biomolecular systems. The code is freely available at https://github.com/ronaldolab/DrDiff.

1.
K. A.
Dill
and
J. L.
MacCallum
,
Science
338
,
1042
(
2012
).
2.
J.
Zhou
and
B.
Liu
,
Intractable Rare Dis. Res.
2
,
35
(
2013
).
3.
S.
Aulić
,
L.
Masperone
,
J.
Narkiewicz
,
E.
Isopi
,
E.
Bistaffa
,
E.
Ambrosetti
,
B.
Pastore
,
E. D.
Cecco
,
D.
Scaini
,
P.
Zago
,
F.
Moda
,
F.
Tagliavini
, and
G.
Legname
,
Sci. Rep.
7
,
10050
(
2017
).
4.
H.
Eraña
,
V.
Venegas
,
J.
Moreno
, and
J.
Castilla
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
483
,
1125
(
2017
).
6.
P.
Wolynes
,
J.
Onuchic
, and
D.
Thirumalai
,
Science
267
,
1619
(
1995
).
7.
8.
J.
Wang
,
J.
Onuchic
, and
P.
Wolynes
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4861
(
1996
).
9.
K. A.
Dill
and
H. S.
Chan
,
Nat. Struct. Biol.
4
,
10
(
1997
).
10.
V.
Pande
,
A.
Grosberg
, and
T.
Tanaka
,
Folding Des.
2
,
109
(
1997
).
11.
J.
Onuchi
,
H.
Nymeyer
,
A.
Garcia
,
J.
Chahine
, and
N. D.
Socci
,
Adv. Protein Chem.
53
,
87
(
2000
).
12.
M.
Oliveberg
and
P.
Wolynes
,
Q. Rev. Biophys.
38
,
245
(
2005
).
13.
A. H.
Ratje
,
J.
Loerke
,
A.
Mikolajka
,
M.
Brünner
,
P. W.
Hildebrand
,
A. L.
Starosta
,
A.
Dönhöfer
,
S. R.
Connell
,
P.
Fucini
,
T.
Mielke
,
P. C.
Whitford
,
J. N.
Onuchic
,
Y.
Yu
,
K. Y.
Sanbonmatsu
,
R. K.
Hartmann
,
P. A.
Penczek
,
D. N.
Wilson
, and
C. M. T.
Spahn
,
Nature
468
,
713
(
2010
).
14.
P. I.
Zhuravlev
and
G. A.
Papoian
,
Q. Rev. Biophys.
43
,
295
(
2010
).
15.
J.
Wang
,
R. J.
Oliveira
,
X.
Chu
,
P. C.
Whitford
,
J.
Chahine
,
W.
Han
,
E.
Wang
,
J. N.
Onuchic
, and
V. B.
Leite
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
15763
(
2012
).
16.
V. G.
Contessoto
,
V. M.
de Oliveira
,
S. J.
de Carvalho
,
L. C.
Oliveira
, and
V. B. P.
Leite
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3270
(
2016
).
17.
L.
Chavez
,
J.
Onuchic
, and
C.
Clementi
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
8426
(
2004
).
18.
R. J.
Oliveira
,
P. C.
Whitford
,
J.
Chahine
,
J.
Wang
,
J. N.
Onuchic
, and
V. B. P.
Leite
,
Biophys. J.
99
,
600
(
2010
).
19.
K. A.
Dill
,
S.
Bromberg
,
K.
Yue
,
H. S.
Chan
,
K. M.
Ftebig
,
D. P.
Yee
, and
P. D.
Thomas
,
Protein Sci.
4
,
561
(
1995
).
20.
J. O. Z.
Luthey-Schulten
and
P.
Wolynes
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
48
,
545
(
1997
).
21.
J.
Onuchic
and
P.
Wolynes
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
14
,
70
(
2004
).
22.
A. B.
Oliveira
, Jr.
,
F. M.
Fatore
,
F. V.
Paulovich
,
O. N.
Oliveira
, Jr.
, and
V. B. P.
Leite
,
PLoS ONE
9
,
e100861
(
2014
).
23.
A.
Szabo
,
K.
Schulten
, and
Z.
Schulten
,
J. Chem. Phys.
72
,
4350
(
1980
).
24.
M.
Karplus
and
D. L.
Weaver
,
Protein Sci.
3
,
650
(
1994
).
25.
B.
Jun
and
D. L.
Weaver
,
J. Chem. Phys.
116
,
418
(
2002
).
26.
R.
Best
and
G.
Hummer
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
228104
(
2006
).
27.
Z.
JiangLin
,
J.-D.
Bao
, and
G.
Wenping
,
J. Chem. Phys.
124
,
024112
(
2006
).
28.
O.
Givaty
and
Y.
Levy
,
J. Mol. Biol.
385
,
1087
(
2009
).
29.
H.
Yu
,
A. N.
Gupta
,
X.
Liu
,
K.
Neupane
,
A. M.
Brigley
,
I.
Sosova
, and
M. T.
Woodside
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
14452
(
2012
).
30.
J. K.
Noel
,
J.
Chahine
,
V. B. P.
Leite
, and
P. C.
Whitford
,
Biophys. J.
107
,
2881
(
2014
).
31.
W.
Zheng
and
R. B.
Best
,
J. Phys. Chem. B
119
,
15247
(
2015
).
32.
K.
Neupane
,
A. P.
Manuel
, and
M. T.
Woodside
,
Nat. Phys.
12
,
700
(
2016
).
33.
K.
Neupane
,
F.
Wang
, and
M. T.
Woodside
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
1329
(
2017
).
34.
R. B.
Best
,
G.
Hummer
, and
W. A.
Eaton
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
17874
(
2013
).
35.
P. V.
Banushkina
and
S. V.
Krivov
,
J. Comput. Chem.
36
,
878
(
2015
).
36.
A. M.
Berezhkovskii
and
D. E.
Makarov
,
J. Chem. Phys.
147
,
201102
(
2017
).
37.
D. E.
Makarov
,
J. Chem. Phys.
138
,
014102
(
2013
).
38.
J. O.
Daldrop
,
W. K.
Kim
, and
R. R.
Netz
,
Europhys. Lett.
113
,
18004
(
2016
).
39.
R.
Satija
,
A.
Das
, and
D. E.
Makarov
,
J. Chem. Phys.
147
,
152707
(
2017
).
40.
A. M.
Berezhkovskii
and
D. E.
Makarov
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
2190
(
2018
).
41.
A.
Baumketner
and
Y.
Hiwatari
,
Phys. Rev. E
66
,
011905
(
2002
).
43.
S.
Yang
,
J.
Onuchic
, and
H.
Levine
,
J. Chem. Phys.
125
,
054910
(
2006
).
44.
J.
Chahine
,
R. J.
Oliveira
,
V. B. P.
Leite
, and
J.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
14646
(
2007
).
45.
S. V.
Krivov
and
M.
Karplus
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
13841
(
2008
).
46.
A.
Sangha
and
T.
Keyes
,
J. Phys. Chem. B
113
,
15886
(
2009
).
47.
R.
Oliveira
,
P.
Whitford
,
J.
Chahine
,
V.
Leite
, and
J.
Wang
,
Methods
52
,
91
(
2010
).
48.
P. R.
Mouro
,
V.
de Godoi Contessoto
,
J.
Chahine
,
R. J.
de Oliveira
, and
V. B. P.
Leite
,
Biophys. J.
111
,
287
(
2016
).
49.
R.
Best
and
G.
Hummer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
1088
(
2010
).
50.
W.
Xu
,
Z.
Lai
,
R.
Oliveira
,
V.
Leite
, and
J.
Wang
,
J. Phys. Chem. B
116
,
5152
(
2012
).
51.
F.
Polotto
,
E.
Drigo Filho
,
J.
Chahine
, and
R. J.
Oliveira
,
Physica A
493
,
286
(
2018
).
52.
F.
Bruno da Silva
,
V. G.
Contessoto
,
V. M.
de Oliveira
,
J.
Clarke
, and
V. B. P.
Leite
,
J. Phys. Chem. B
122
,
10817
(
2018
).
53.
W.
Kremer
,
B.
Schuler
,
S.
Harrieder
,
M.
Geyer
,
W.
Gronwald
,
C.
Welker
,
R.
Jaenicke
, and
H. R.
Kalbitzer
,
Eur. J. Biochem.
268
,
2527
(
2001
).
54.
J.
Kubelka
,
J.
Hofrichter
, and
W.
Eaton
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
14
,
76
(
2004
).
55.
B.
Schuler
,
Chem. Phys. Chem
6
,
1206
(
2005
).
56.
D.
Nettels
,
I.
Gopich
,
A.
Hoffmann
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
2655
(
2007
).
57.
T.
Cellmer
,
E.
Henry
,
J.
Hofrichter
, and
W.
Eaton
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
18320
(
2008
).
58.
D. R.
Dee
and
M. T.
Woodside
,
Prion
10
,
207
(
2016
).
59.
P.
Cossio
,
G.
Hummer
, and
A.
Szabo
,
J. Chem. Phys.
148
,
123309
(
2018
).
60.
H.
Yu
,
X.
Liu
,
K.
Neupane
,
A. N.
Gupta
,
A. M.
Brigley
,
A.
Solanki
,
I.
Sosova
, and
M. T.
Woodside
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
5283
(
2012
).
61.
D. M. A.
Gendoo
and
P. M.
Harrison
,
PLoS Comput. Biol.
8
,
e1002646
(
2012
).
62.
H.
Yu
,
D. R.
Dee
,
X.
Liu
,
A. M.
Brigley
,
I.
Sosova
, and
M. T.
Woodside
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
8308
(
2015
).
63.
R. K.
Singh
,
N. G.
Chamachi
,
S.
Chakrabarty
, and
A.
Mukherjee
,
J. Phys. Chem. B
121
,
550
(
2017
).
64.
A. N.
Lima
,
R. J. d.
Oliveira
,
A. S. K.
Braz
,
M. G. d. S.
Costa
,
D.
Perahia
, and
L. P. B.
Scott
,
Eur. Biophys. J.
47
,
583
(
2018
).
65.
N.
Socci
,
J.
Onuchic
, and
P.
Wolynes
,
J. Chem. Phys.
104
,
5860
(
1996
).
67.
H. S.
Chung
,
S.
Piana-Agostinetti
,
D. E.
Shaw
, and
W. A.
Eaton
,
Science
349
,
1504
(
2015
).
68.
H.
Jung
,
K.-i.
Okazaki
, and
G.
Hummer
,
J. Chem. Phys.
147
,
152716
(
2017
).
69.
L. R.
Pratt
,
J. Chem. Phys.
85
,
5045
(
1986
).
70.
R.
Elber
and
M.
Karplus
,
Chem. Phys. Lett.
139
,
375
(
1987
).
71.
C.
Dellago
,
P. G.
Bolhuis
,
F. S.
Csajka
, and
D.
Chandler
,
J. Chem. Phys.
108
,
1964
(
1998
).
72.
J. R.
Perilla
and
T. B.
Woolf
, “
Molecular modeling of proteins
,” in
Methods in Molecular Biology
, edited by
A.
Kukol
(
Springer New York
,
New York, NY
,
2015
), pp.
237
252
.
73.
G.
Hummer
,
J. Chem. Phys.
120
,
516
(
2004
).
74.
P. D. H.
Risken
, in
The Fokker-Planck Equation
, Springer Series in Synergetics Vol. 18 (
Springer Berlin Heidelberg
,
1984
), pp.
63
95
.
75.
D. I.
Kopelevich
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
I. G.
Kevrekidis
,
J. Chem. Phys.
122
,
044908
(
2005
).
76.
J. D.
Bryngelson
and
P. G.
Wolynes
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
84
,
7524
(
1987
).
77.
J. D.
Bryngelson
and
P. G.
Wolynes
,
J. Phys. Chem.
93
,
6902
(
1989
).
78.
R. J.
de Oliveira
,
J. Chem. Phys.
149
,
234107
(
2018
).
79.
A. M.
Ferrenberg
and
R. H.
Swendsen
,
Phys. Rev. Lett.
61
,
2635
(
1988
).
80.
A. M.
Ferrenberg
and
R. H.
Swendsen
,
Phys. Rev. Lett.
63
,
1195
(
1989
).
81.
R. B.
Best
and
G.
Hummer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
6732
(
2005
).
82.
R. B.
Best
and
G.
Hummer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
16902
(
2011
).
83.
T.
Tomé
and
M. J.
de Oliveira
,
Stochastic Dynamics and Irreversibility
, Graduate Texts in Physics (
Springer International Publishing
,
Cham
,
2015
).
84.
Y.
Tang
,
R.
Yuan
,
G.
Wang
,
X.
Zhu
, and
P.
Ao
,
Sci. Rep.
7
,
15762
(
2017
).
85.
Y.
Ueda
,
H.
Taketomi
, and
N.
,
Int. J. Pept. Protein Res.
7
,
445
(
1975
).
86.
P. C.
Whitford
,
K. Y.
Sanbonmatsu
, and
J. N.
Onuchic
,
Rep. Prog. Phys.
75
,
076601
(
2012
).
87.
J. D.
Bryngelson
,
J. N.
Onuchic
,
N. D.
Socci
, and
P. G.
Wolynes
,
Proteins: Struct., Funct., Genet.
21
,
167
(
1995
).
88.
C.
Clementi
,
H.
Nymeyer
, and
J.
Onuchic
,
J. Mol. Biol.
298
,
937
(
2000
).
89.
P.
Whitford
,
J.
Noel
,
S.
Gosavi
,
A.
Schug
,
K.
Sanbonmatsu
, and
J.
Onuchic
,
Proteins: Struct. Func. Bioinf.
75
,
430
(
2009
).
90.
V.
Contessoto
,
D.
Lima
,
R.
Oliveira
,
A.
Bruni
,
J.
Chahine
, and
V.
Leite
,
Proteins: Struct. Func. Bioinf.
81
,
1727
(
2013
).
91.
J. K.
Noel
,
P. C.
Whitford
, and
J. N.
Onuchic
,
J. Phys. Chem. B
116
,
8692
(
2012
).
92.
J.
Noel
,
P.
Whitford
,
K.
Sanbonmatsu
, and
J.
Onuchic
,
Nucleic Acids Res.
38
,
W657
(
2010
).
93.
J. K.
Noel
,
M.
Levi
,
M.
Raghunathan
,
H.
Lammert
,
R. L.
Hayes
,
J. N.
Onuchic
, and
P. C.
Whitford
,
PLOS Comput. Biol.
12
,
e1004794
(
2016
).
94.
M. R.
de Mendonca
,
L. G.
Rizzi
,
V.
Contessoto
,
V. B.
Leite
, and
N. A.
Alves
,
Proteins: Struct., Funct., Bioinf.
82
,
119
(
2014
).
95.
B.
Hess
,
C.
Kutzner
,
D.
van der Spoel
, and
E.
Lindahl
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
435
(
2008
).
96.
S. S.
Cho
,
Y.
Levy
, and
P. G.
Wolynes
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
586
(
2006
).
97.
D. A. N.
Foster
,
R.
Petrosyan
,
A. G. T.
Pyo
,
A.
Hoffmann
,
F.
Wang
, and
M. T.
Woodside
,
Biophys. J.
114
,
1657
(
2018
).
98.
S.
Yang
,
J.
Onuchic
,
A.
Garcia
, and
H.
Levine
,
J. Mol. Biol.
372
,
756
(
2007
).
99.
B.
Schuler
,
J. Chem. Phys.
149
,
010901
(
2018
).
100.
S.
Schmid
and
T.
Hugel
,
J. Chem. Phys.
148
,
123312
(
2017
).
101.
A.
Liebendorfer
,
Scilight
2018
,
070003
.
102.
B.
Hellenkamp
,
S.
Schmid
,
O.
Doroshenko
,
O.
Opanasyuk
,
R.
Kühnemuth
,
S. R.
Adariani
,
B.
Ambrose
,
M.
Aznauryan
,
A.
Barth
,
V.
Birkedal
,
M. E.
Bowen
,
H.
Chen
,
T.
Cordes
,
T.
Eilert
,
C.
Fijen
,
C.
Gebhardt
,
M.
Götz
,
G.
Gouridis
,
E.
Gratton
,
T.
Ha
,
P.
Hao
,
C. A.
Hanke
,
A.
Hartmann
,
J.
Hendrix
,
L. L.
Hildebrandt
,
V.
Hirschfeld
,
J.
Hohlbein
,
B.
Hua
,
C. G.
Hübner
,
E.
Kallis
,
A. N.
Kapanidis
,
J.-Y.
Kim
,
G.
Krainer
,
D. C.
Lamb
,
N. K.
Lee
,
E. A.
Lemke
,
B.
Levesque
,
M.
Levitus
,
J. J.
McCann
,
N.
Naredi-Rainer
,
D.
Nettels
,
T.
Ngo
,
R.
Qiu
,
N. C.
Robb
,
C.
Röcker
,
H.
Sanabria
,
M.
Schlierf
,
T.
Schröder
,
B.
Schuler
,
H.
Seidel
,
L.
Streit
,
J.
Thurn
,
P.
Tinnefeld
,
S.
Tyagi
,
N.
Vandenberk
,
A. M.
Vera
,
K. R.
Weninger
,
B.
Wünsch
,
I. S.
Yanez-Orozco
,
J.
Michaelis
,
C. A. M.
Seidel
,
T. D.
Craggs
, and
T.
Hugel
,
Nat. Methods
15
,
669
(
2018
).
103.
C. D.
Kinz-Thompson
and
R. L.
Gonzalez
,
Biophys. J.
114
,
289
(
2018
).
104.
R.
Walder
,
W. J.
Van Patten
,
D. B.
Ritchie
,
R. K.
Montange
,
T. W.
Miller
,
M. T.
Woodside
, and
T. T.
Perkins
,
Nano Lett.
18
,
6318
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.