Click here to load reader

PROIECTAREA MOLECULARĂ ASISTATĂ DE CALCULATOR

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of PROIECTAREA MOLECULARĂ ASISTATĂ DE CALCULATOR

1.1. Studiul proprietilor biologice, toxicologice i tehnice ale compuilor organici prin
chemometrie, metode cuanto-chimice, de modelare molecular i tehnici
QSAR/QSPR/QSTR.
1.2. Aplicaii ale metodelor de modelare molecular la liganzi activi pe proteine
membranare i protein-kinaze
Obiectivele Programului
- Modelarea prin tehnici QSAR, QSPR i de chimie computaional în domeniul unor compui
biologic activi de interes farmacologic i a aunor compui chimici cu proprieti int dorite.
- Adaptarea strategiei i tehnicii de calcul moderne din domeniu i contribuii originale la
metodic (PLS).
- Cercetri în domeniul tratrii formale a spaiului chimic prin analiza în limitele formalismului
funcionalei densitate a câmpului, potenialului i forei chimice.
-Construirea seturilor noi standard de validare pentru metodele de scrining virtual i evaluarea
performanelor metodelor de screening virtual
-Obtinerea unor modele de homologie 3D a unor receptori GPCR.
- Studii de andocare a liganzilor în situsul activ al modelelor 3D ale receptorilor
- Obinerea unor modele de farmacofori pentru agoniti sau antagoniti ai receptorilor GPCR,
protein-kinaze, receptori nucleari, etc.
- Utilizarea tehnicilor de modelare molecular pentru modelarea structurii moleculare i
electronice a conformerilor de joas energie ai liganzilor care fac parte din seriile de agoniti sau
antgoniti propuse pentru studiu.
importante pentru activitatea biologic a liganzilor.
-Scriningul prospectiv al bazelor de date de compui cu activitate biologic pentru detectarea de
structuri cu noi potenial activitate biologic.
Identificarea unor compui bioselectivi cu schelet de tip flavonoidic din baze de date globale de
activiti biologice.
- Cartografierea librriilor de compui, analiza i interpretarea rezultatelor.
-Investigarea assay-urilor confirmatorii din baza de date PubChem, identificarea hit-urilor
frecvente, a inhibitorilor luciferazei, caracterizarea, modelarea lor i contruirea unor librrii de
compui chimici utile la dezvoltarea i testarea metodelor de scrining virtual.
- Investigarea impactului mutaiilor asupra modului de legare al liganzilor i implicit asupra
conformaiei receptorului, cu evidenierea interaciilor care care stabilizeaz conformaia
receptorului prin intermediul dinamicii moleculare.
- Estimarea afinitii de legare a liganzilor pentru a prioritiza conformaia preferat a
receptorului.
2
- Identificarea unor proteine din clasa receptorilor cuplai cu proteine G (GPCR) care reprezint
poteniale inte pentru insecticide.
Stadiul actual al cunotinelor în domeniu:
Proiectarea molecular asistat de calculator este denumirea folosit curent pentru un
domeniu larg, care cuprinde chimia teoretic, chimia computaional, relaiile structur-
proprieti-activitate, modelarea molecular, simularea interaciunilor receptor-ligand. Pe lâng
aceste domenii teoretice mai cuprinde i metode experimentale automatizate privind sinteza unui
numr mare de derivai i screening-ul, rapid i în mas, privind afinitile acestora pentru
diferii receptori – chimia combinatoriala .
Construirea i utilizarea unor descriptori moleculari cu semnificaie fizic aprioric, clar
definit, este un element esenial pentru orice studiu QSPR i QSAR. Numai în acest mod pot fi
puse clar în eviden efectele care intervin i natura factorilor responsabili de efectul biologic
observat sau de proprietatea fizico-chimic msurat, în acord cu natura forelor intermoleculare
relevante. Calculul computerizat, simplu i rapid, pentru orice tip de structuri moleculare, de la
cele simple pân la cele mai complexe, cu sute de mii de atomi, este un deziderat care poate fi
astfel atins. În plus, dei procesul poate fi mai lung decât un an, implicând eforturi financiare i
umane mult mai mari, putem face estimri în privina urmtoarelor aspecte:
1. Valorificarea (tiinific i financiar a) modelului computerizat bazat pe metode originale,
dezvoltarea i îmbuntirea variantelor existente [1], util în cercetarea academic i
industrial din domeniul proiectrii substanelor bioactive (drug design).
2. Construirea i interpretarea mecanismelor de interaciune receptor biologic-ligand.
3. Detectarea unor structuri noi cu potenial biologic specificat, respectiv eliminarea
moleculelor lipsite de interes aplicativ.
Scopul principal al acestui program este în primul rând adaptarea strategiei i a tehnicii de
calcul moderne din domeniu, dar i contribuii originale la metodic (PLS) [1]. La fel de
important este aplicarea tehnicilor din domeniul proiectrii moleculare asistat de calculator la
teme de interes pentru Institutul de Chimie: relaii structur – colorani – absorbie pe fibr,
relaii structur-activitate biologic în clasele unor substane potenial biologic active sintetizate
în institut, contribuii la elucidarea unor mecanisme de reacii studiate în cadrul institutului,
contribuii la modelarea molecular i studii QSAR la liganzi cu proprieti ecotoxice sau
biomedicale i contribuii la relaia structur - proprieti pentru colorani i combinaii pentru
coloane cromatografice cu proprieti chirale.
La acestea se adaug o serie de cercetri în domeniul tratrii formale a spaiului chimic
prin analiza în limitele formalismului funcionalei densitate a câmpului, potenialului i forei
chimice.
Cheminformatica (sau chemoinformatica) este o tiin relativ nou care a evoluat din
alte discipline mai vechi cum sunt chimia computaional, chemometric, QSAR, informatica
chimic, etc. i a luat natere ca raspuns la problematica actual îndreptat spre optimizarea
diversitii librriilor chimice rezultate din sinteza combinatorial [2] i la prelucrarea a
rezultatelor provenite din experimente de tip High-Throughput Screening. În ultimii ani s-au
dezvoltat multe metode de investigare a diversitii chimice, a similaritii structurale, algoritmi
de clasificare (supervizat - metode de învare supervizat ,i nesupervizat - clusterizare) i
selecie, anotarea librriilor chimice, etc. S-au dezvoltat noi tehnologii pentru recunoaterea
moleculelor lead-like i drug-like din cadrul librriilor chimice. Un numr semnificativ de inte
biologice noi au fost identificate în cadrul proiectului Genomul Uman i prin tehnicile de
biologie molecular modern. În cazul unor inte biologice, cum sunt proteinele membranare este
foarte dificil s se obin informaii structurale despre aceste proteine. Una dintre problemele
eseniale este optimizarea structural a compuilor ghid deoarece aproximativ 40% din
structurile candidate sunt excluse din cadrul programelor de descoperire de medicamente din
cauza problemelor legate de absorbie, distribuie, metabolism, excreie i toxicitate - ADMET.
3
Din acest motiv, noile strategii de descoperire de medicamente reprezint o provocare pentru
chemoinformaticieni in ceea ce privete: (i) extragerea informaiei pertinente dintr-un volum
mare de date provenite din experimentele HTS; (ii) stabilirea profilului polifarmacologic al
librriilor chimice; (iii) elaborarea de metodologii in silico, eficiente pentru predicia
proprietilor ADMETox; (iv) generarea de noi metodologi de evaluare a rezultatelor obinute
cu ajutorul metodelor de scrining virtual.
Metodologia de andocare ligand-receptor are o vechime de 35 de ani i îi are originea în
aricolul lui Levinthal i colab. care urmreau s prezic conformaiile hemoglobinei [3].
Andocarea molecular a a devenit tot mai mult utilizat pentru predicia afinitii de legare a
moleculelor cu potenial terapeutic, îns multe probleme probleme au rmas nerezolvate cum
sunt abordarea flexibilitii moleculare, solvatarea, i nu în ultimul rând prezicerea corect a
afinitilor de legare. Numrul mare de compleci în care receptorii umani sunt co-cristalizai cu
diferii liganzi i care au fost investigai cu ajutorul cristalografiei de raze X permit folosirea
screening-ului virtual pentru evaluarea rapid a energiei de legare dintre ligand i receptor.
Funciile scor calculeaz energia de legare ligand-receptor îns în prezent exist o serie de
limitri in special cele datorate neglijarii efectelor de solvatare i a celor entropice. În mod
tradiional se consider c puterea predictiv a tehnicilor de andocare este mai slab decât a
metodelor QSAR moderne.
Modelarea prin omologie, este metoda cea mai recunoscut i mai eficace de prezicere
teoretic a structurilor proteice. În ciuda progresului pe care l-au înregistrat metodele ab initio în
domeniul prediciei structurale a proteinelor modelarea prin omologie (comparativ) rmâne
singura metod de încredere în prezicerea structurilor 3D proteice cu o acuratee comparabil cu
cea a metodelor experimentale de rezoluie joas. Se consider c aminoacizii conservai i
regiunile similare sunt consecine ale relaiilor funcionale, structurale i evoluionare dintre
secvene. Modelarea prin omologie este cea mai eficient cale pentru obinerea informaiilor
necesare pentru proteinele de interes, modelele comparative putând fi de ajutor în identificarea
situsurilor active (de legare), docarea liganzilor mici, design-ul mutaiilor pentru testarea
ipotezelor privind funciile proteinei. Construirea de modele de homologie este facilitat de
faptul c regiunea transmembranar a GPCR din clasa A este destul de bine conservat [4].
Acurateea modelelor de homologie este limitat de nesigurana cu care se pot modela loop-urile
intra- i extra-celulare, care variaz destul de mult în ceea ce privete lungimea, compoziia
aminoacizilor, chiar i în cazul GPCR foarte asemntori .
În scopul analizelor ce urmresc în special studiul activitii biologie ale compuilor
chimici, vor fi explorate baze de date publice ce cuprind cu metodelor chimiei computaionale i
a cheminformaticii. Printre bazele de date mari ce stocheaz activiti biologice, modul în care
au fost obinute i structurile compuilor chimici se numr ChEMBLdb, PubChem, DrugCentral
[5] etc. Compuii pot fi descrii cu ajutorul diverilor descriptori moleculari (bazai în funcie de
situaie pe structura bi- sau tri-dimensional a structurilor): fizico-chimici (MW, logP etc),
amprente moleculare topologice (Morgan FingerPrints), descriptori farmacoforici
(Pharmacophore Fingerprints) etc. Aceste sunt generate cu ajutorul programelor specializate:
Chemaxon, OpenEye, Knime Platform, R statistical enviroment [6], PaDEL-
Descriptor, etc. Metode de similaritate (Tanimoto, Dice etc), de învare supervizat
(e.g., random forest ) i nesupervizat (de grupare sau clustering; e.g., Self-Organizing Maps [7]
folosesc aceti descriptori pentru a cuta i prezice compui cu activitate apropiat pe o int sau
pe un grup de inte-biologice. Pentru evaluarea rezultatelor (prediciilor) se folosesc diferite
metode i parametrii ce pot cuantifica performana metodologiei aplica în funcie de scopul
studiului [8]. Astfel, se obin seturi de compui cu proprieti dorite e.g., ColBioS-FlavRC,
PubChemKinIna, seturi de modelare i studiu a inhibitorilor kinazici (9 nou) etc. Mai departe se
pot izola proteine receptor a cror interaciuni cu seturi mici (prezise) de compui sunt supuse
unor metode mai detaliate de analiz, e.g., andocare, dinamic molecular etc. Este de dorit ca
structurile proteinelor, accesate din baza de date RCSB PDB (PDB; http://www.rcsb.org/pdb/),
s fie înainte evaluate (de exemplu pe baza parametrului Diffraction-Point Index, ce cuantific
eroarea medie de poziie a atomilor din cristal) pentru alegerea celor mai potrivite structuri
pentru analiza interaciunilor cu liganzii . Sinergismul i complementaritatea metodelor
cheminformatice pot confirma i accelera descoperirea unor compui chimici noi relevante
pentru industria farmaceutic.
Dinamica molecular este o metod a chimiei computaionale care studiaz micarea
atomilor i moleculelor, utilizând ecuaiile micrii ale lui Newton, pentru a simula evoluia în
timp a unui set de atomi care interacioneaz sau traiectorie. Aceste metode depind de descrierea
modului de interacie al atomilor, definit prin câmpul de forte. Dinamica molecular se aplic cu
succes în proiectarea i descoperirea de materiale noi [9], rafinarea structurii tridimensionale a
proteinelor i acizilor nucleici, precum i în studierea micrii acestora cu scopul de a modela
interaciile cu alte molecule bioactive. In domeniul descoperirii de medicamente, metoda este
folosit cu succes în proiectarea de medicamente pe baza structurii tintei biologice, proteina cu
care molecula mica (small molecule) interacioneaz. Astfel, dinamica molecular a fost utilizat
cu succes pentru elucidarea modului de legare al moleculei active în situsul receptorial, în studii
de andocare molecular de volum ridicat pentru a genera o conformaie a receptorului care difer
de cea disponibil din structura de raze X i/sau ca filtru final pentru selectarea compuilor cu
potenial pentru testarea biologic [10]. De asemenea, simulrile de dinamic molecular se
aplic cu succes pentru studierea modificrilor conformaionale pe care ligandul le induce
receptorului dup legare precum i pentru a studia influena mutaiilor asupra conformaiei i
implicit stabilitii proteinei.
Dinamica molecular este o metod de calcul extrem de intensiv din punct de vedere
computaional i din acest motiv consumatoare de timp. Pentru a obine rezultate valide din
punct de vedere statistic durata simulrilor trebuie s aproximeze cinetica proceselor naturale.
1. Zhang Y, Lorsbach B.A., Castetter S., Lambert W.T., Kister J., Wang N.X., Klittich C.J.R.,
Roth J., Sparks T.C., Loso M.R., Physicochemical property guidelines for modern
agrochemicals, Pest. Manag. Sci. 74 (9), 1979-1991, 2018.
2. López-Vallejo F., Nefzi A., Bender A., Owen J.R., Nabney I.T., Houghten R.A., Medina-
Franco J.L., Increased Diversity of Libraries from Libraries: Chemoinformatic Analysis of Bis-
Diazacyclic Libraries Chem Biol Drug Des., 77(5), 328–342, 2011.
3. Levinthal C., Wodak S.J., Kahn P., Dadivanian A.K., Hemoglobin Interaction in Sickle Cell
Fibers. I: Theoretical Approaches to the Molecular Contacts, Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 72(4),
1330–1334, 1975.
4. Jacobson K.A., Costanzi S., New Insights For Drug Design From The X-ray Crystallographic
Structures of GPCRs, Mol. Pharmacol., 82, 361–371, 2012.
5. Ursu O., Holmes J., Knockel J., Bologa C.G., Yang J.J., Mathias S.L., Nelson S.J., Oprea T.I.
DrugCentral: online drug compendium.Nucleic Acids Res, 45(D1), D932-D939, 2017
6. R Core Team R: A Language and Environment for Statistical Computing, version 323; The
R Foundation: Vienna, Austria, 2015;http://wwwR-projectorg/,
molecular descriptors and fingerprints. J Comput Chem, 32(7), 1466-1474, 2011
7. Kohonen T. Essentials of the self-organizing map. Neural Netw, 37, 52-65, 2013
8. Avram S., Bora A., Halip L., Curpan R. Modeling Kinase Inhibition Using Highly Confident
Data Sets. J Chem Inf Model, 58(5), 957-967, 2018
9. Sinnott S.B., Brenner D.W. Three decades of many-body potentials in materials research.
MRS Bulletin. 2012, 37(5), 469–473.
10. Zhao H., Caflisch A. Molecular dynamics in drug design, Eur. J. Med. Chem. 2015, 91(1),
4-14.
- Obinerea unor relaii cantitative structur – proprieti - activiti biologice i structur -
reactivitate cu posibilitate de predicie în scop de proiectare de molecule cu proprieti dorite.
- Obinerea de relaii cantitative structur-toxicitate pentru proiectarea de noi compui cu
proprieti îmbuntite care s conduc la avantaje ecologice i economice prin împiedicarea
penetrrii compuilor toxici în mediu.
- Obinerea unor relaii cantitative structur – proprieti/activiti biologice ale compuilor cu
activitate agrochimic cu posibilitate de predicie în scop de proiectare de molecule cu proprieti
dorite.
- Descrierea formal a spaiului chimic cu posibiliti de dezvoltare a unei teorii unitare a
reactivitii chimice, prin introducerea unor mrimi cantitative unitare: potenialul chimic,
duritatea i fora chimic.
-Construirea seturilor noi de validare pentru metodele de scrining virtual i evaluarea
performanelor metodelor de screening virtual
-Asamblarea unor librrii de compui chimici cu activitate biologic pe baza unor criterii
prestabilite (actiune farmacologic, selectivitate, compui problematici identificai prin high
throughput screening)
similare implicate in procese inflamatorii sau generarea diferitelor tipuri de cancer (colon,
mamar, etc.).
- Studii de dinamic molecular a modificrilor conformaionale pe care ligandul le poate induce
receptorului, precum i influena mutaiilor asupra conformaiei receptoriale, atunci când
ligandul ocup situsul activ al receptorului.
- Estimarea afinitii de legare a liganzilor, prioritizarea conformaiei preferate a receptorului.
- Identificarea receptorilor GPCR caracterizai având situs de legare primar similar cu receptorii
orfani.
- Cartografierea unor librrii de compui.
- Repoziionarea computaional a medicamentelor pentru diferite inte biologice.
Modul de valorificare al rezultatelor
Rezultatele cercetarilor vor fi publicate în primul rând în reviste cu IF cotate ISI:
- Rev. Roum. Chim. (cel putin 10 lucrri)
- Rev. Chim. (Bucharest) (cel putin 3 lucrri)
- Pharm. Res. (cel putin 4 lucrri)
- Struct. Chem. (cel putin 5 lucrri)
- Mol. Pharm. (cel putin 3 lucrari)
- J. Chem. Inf. Comput. Sci. (cel putin 3 lucrri)
Durata: 2017 – 2022
COMPUILOR ORGANICI PRIN CHEMOMETRIE, METODE CUANTO-CHIMICE,
DE MODELARE MOLECULAR I TEHNICI QSAR/QSPR/QSTR
a) Coordonator:
b) Colectiv de cercetare:
6
Colaboratori externi:
Tokyo, Japonia
- Prof. Dr. Craig Jordan, Dr. Philipp Maximov, University of Texas MD
Anderson Cancer Center, USA
Construirea i utilizarea unor descriptori moleculari cu semnificaie fizic aprioric, clar
definit, este un element esenial pentru orice studiu QSPR i QSAR. Numai în acest mod pot fi
puse clar în eviden efectele care intervin i natura factorilor responsabili de efectul biologic
observat sau de proprietatea fizico-chimic msurat, în acord cu natura forelor intermoleculare
relevante. Calculul computerizat, simplu i rapid, pentru orice tip de structuri moleculare, de la
cele simple pân la cele mai complexe, cu sute de mii de atomi, este un deziderat care poate fi
astfel atins. În plus, dei procesul poate fi mai lung decât un an, implicând eforturi financiare i
umane mult mai mari, putem face estimri în privina urmtoarelor aspecte:
a. Valorificarea modelului computerizat bazat pe metode originale, util în cercetarea
academic i industrial din domeniul proiectrii substanelor bioactive (drug design).
b. Identificarea i interpretarea mecanismelor de interaciune receptor biologic-ligand.
c. Detectarea unor structuri noi cu potenial biologic specificat, respectiv eliminarea
moleculelor lipsite de interes aplicativ.
d. Construirea, interpretarea mecanismelor structur-proprieti ale coloranilor, compuilor
macromoleculari cu heteroatomi, medicamentelor, compuilor cu activitate agrochimic i
ale altor compui de interes în vederea prezicerii de noi compui cu proprieti
îmbuntite.
Scopul principal al acestui proiect este adaptarea strategiei i tehnicii de calcul moderne
din domeniu la studiul proprietilor biologice, toxicologice i tehnice ale compuilor organici.
La fel de important este aplicarea tehnicilor din domeniul proiectrii moleculare asistate de
calculator la teme de interes pentru Institutul de Chimie Timioara: relaii structur – colorani –
absorbie pe fibr/toxicitate, relaii structur-proprieti în clasele unor polimeri sintetizai în
institut, contribuii la elucidarea unor mecanisme de toxicitate i la relaia structur - proprieti
ale unor compui macromoleculari, colorani, compui cu activitate agrochimic i ali compui
de interes, contribuii la modelarea molecular i studii QSAR la liganzi cu proprieti ecotoxice
sau biomedicale.
Cercetrile incluse în acest proiect vor face parte din colaborri cu teme de cercetare cu
un caracter experimental din cadrul altor proiecte de cercetare din cadrul Institutului de Chimie
Timioara.
Prin studii QSAR privind toxicitatea coloranilor, a intermediarilor acestora, a polimerilor
i a unor medicamente se vor prevedea noi structuri de compui cu toxicitate redus.
Studiile QSAR se vor aplica compuilor agrochimici pentru a descoperi compui care se
leag selectiv de receptori potrivii din speciile int i care s aibe proprieti fizico-chimice
potrivite pentru a atinge inta atunci când sunt distribuite sub form de spray pe câmpuri. Prin
aplicarea metodologiei QSAR se va studia relaia dintre structura acestor compui i activitatea
lor biologic, precum i toxicitatea acestora fa de oameni, plante i alte animale. Se va urmri
analiza proprietilor fizico-chimice i elementelor structurale care separ pesticidele de alte
clase de substane chimice (produi naturali, compui de sintez, medicamente) i definesc
tipurile de activitate agrochimic (ierbicide, insecticide, fungicide, etc). Se vor selecta compui
cu activitate pesticid din diverse clase (ierbicide, fungicide, etc) utilizând metode de ligand-
based i structure-based design. Vor fi studiate clase de compui cu activitate agrochimic prin
metode calitative i cantitative statistice i prin analiz multivariat.
Se vor utiliza studii de docare molecular pentru studierea interaciilor dintre compuii
activi i aminoacizii situsului de legare al proteinei int, precum i pentru identificarea
7
conformaiilor bioactive acolo unde acestea nu au fost determinate experimental prin
cristalografie de raze X.
Se vor elabora noi abordri i teorii privind mecanismele de aciune ale fenomenelor
biologice, termodinamice i toxicologie, precum i ale unor proprieti tehnice ale compuilor
inclui în acest proiect, care nu au fost studiate pân în momentul de fa.
Se va studia modul de interacie al unor modulatori selectivi sintetici, de tip
trifeniletilenic (TPE), benzotiofenici, TTC-352 i BMI-135 cu receptorul estrogenic alfa în
conformaie nativ i mutant pentru a elucida mecanismul de aciune la nivel molecular al
acestor compui, precum i influena mutaiilor asupra conformaiei receptoriale, responsabile de
rezistena indus la terapiile antiestrogenice în cancerul mamar.
Vor fi identificai receptori care din perspectiva localizrii lor in specii diferite s poat fi
manipulai fie in vederea descoperii de noi medicamente, fie ca inte pentru noi insecticide care
vizeaz insectele vectori de transmitere a unor boli infecioase.
Vor fi realizate modele structurale teriare i cuaternare pentru diverse proteine cu rol de
inte terapeutice i/sau agrochimice pe baza crora vor fi derivate informaii importante privind
structura i interaciile dezirabile ale liganzilor cu acestea.
Vor fi realizate modele structurale teriare i cuaternare pentru proteine cu rol de inte
agrochimice pe baza crora vor fi derivate informaii importante privind structura i interaciile
dezirabile ale liganzilor cu acestea.
Se vor analiza modificrile structurale 3D induse de mutaiile de la nivelul situsului de
aciune (enzima ALS) al erbicidelor pentru care mai multe plante invazive au dobândit
rezisten. Pe baza concluziilor obinute vor fi propui noi compui naturali ca poteniale erbicide
care ar putea preveni problema rezistenei.
Se va proiecta o interfe web i aplicaii pentru accesul i gestionarea de la distan a
informaiei stocate în bazele de date prin utilizarea de interfee i limbaje de programare
specifice. Se va urmri validarea naturii diferiilor liganzi i a interaciunilor acestora, pentru
înelegerea preciziei interaciunilor structurilor macromoleculare.
Rezultate estimate:
Tema 1.1.1
- Prin…