Modelagem molecular voltada para a construção de um nanobiossensor para detecção do herbicida Imazaquin

In this study, our goal was develop and describe a molecular model of the enzyme-inhibiting interaction which can be used for an optimized projection of a Microscope Force Atomic nanobiosensor to detect pesticides molecules, used in agriculture, to evaluate its accordance with limit levels stipulated in valid legislation for its use. The studied herbicide (imazaquin) is a typical member of imidazolinone family and is an inhibitor of the enzymatic activity of Acetohydroxiacid Synthase (AHAS) enzyme that is responsible for the first step of pathway for the synthesis of side-chains in amino acids. The analysis of this enzyme property in the presence of its cofactors was made to obtain structural information and charge distribution of the molecular surface to evaluate its capacity of became immobilized on the Microscopy Atomic Force tip. The computational simulation of the system, using Molecular Dynamics, was possible with the force-field parameters for the cofactor and the herbicides obtained by the online tool SwissParam and it was implemented in force-field CHARMM27, used by software GROMACS; then appropriated simulations were made to validate the new parameters. The molecular orientation of the AHAS was defined based on electrostatic map and the availability of the herbicide in the active site. Steered Molecular Dynamics (SMD) Simulations, followed by quantum mechanics calculations for more representative frames, according to the sequential QM/MM methodology, in a specific direction of extraction of the herbicide from the active site. Therefore, external harmonic forces were applied with similar force constants of AFM cantilever for to simulate herbicide detection experiments by the proposed nanobiosensor. Force value of 1391 pN and binding energy of -14048.52 kJ mol-1 were calculated.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais

Dissertação (Mestrado)

Nesse estudo, o objetivo foi desenvolver e descrever um modelo molecular da interação enzima-inibidor que seja base para a projeção otimizada de um nanobiossensor de AFM para a detecção de pesticidas utilizados na agricultura e seu controle dentro dos níveis estipulados pela legislação vigente. O herbicida estudado (imazaquin) é um representante do grupo das imidazolinonas e é inibidor da atividade da enzima Acetohidroxiácido Sintase (AHAS), responsável pela etapa inicial de síntese dos aminoácidos de cadeia ramificada. A análise das propriedades dessa enzima na presença de seus cofatores FAD e TPP foi realizada para se obter informações estruturais e de distribuição de cargas na superfície molecular para avaliar a funcionalização da ponteira do microscópio de força atômica por meio da imobilização da enzima. A simulação computacional do sistema, por Dinâmica Molecular, foi permitida com a obtenção dos parâmetros de campo de força para os cofatores e o herbicida utilizando a ferramenta online SwissParam e estes foram implementados no campo de força CHARMM27, utilizado pelo software GROMACS; em seguida, as devidas simulações foram realizadas para a validação dos mesmos. A orientação molecular da AHAS foi definida com base no mapa eletrostático e na disponibilidade do herbicida no sítio ativo. Realizou-se simulação de dinâmica molecular direcional (SMD), seguida de cálculos quânticos para os frames mais representativos, segundo a metodologia QM/MM sequencial, em uma direção específica de retirada do herbicida do sítio ativo. Para isso, aplicou-se forças harmônicas externas com constantes de força similares à do cantilever do AFM para simular experimentos de detecção desse herbicida pelo nanobiossensor proposto. Foram calculados um valor de força de 1391 pN e uma energia de ligação de -14048,52 kJ mol-1. Palavras-