Two complementary molecular energy decomposition schemes: the Mayer and Ziegler-Rauk methods in comparison

In the present paper we discuss and compare two different energy decomposition schemes: Mayer's Hartree-Fock energy decomposition into diatomic and monoatomic contributions [Chem. Phys. Lett. 382, 265 (2003)], and the Ziegler-Rauk dissociation energy decomposition [Inorg. Chem. 18, 1558 (1979)]. The Ziegler-Rauk scheme is based on a separation of a molecule into fragments, while Mayer's scheme can be used in the cases where a fragmentation of the system in clearly separable parts is not possible. In the Mayer scheme, the density of a free atom is deformed to give the one-atom Mulliken density that subsequently interacts to give rise to the diatomic interaction energy. We give a detailed analysis of the diatomic energy contributions in the Mayer scheme and a close look onto the one-atom Mulliken densities. The Mulliken density ρA has a single large maximum around the nuclear position of the atom A, but exhibits slightly negative values in the vicinity of neighboring atoms. The main connecting point between both analysis schemes is the electrostatic energy. Both decomposition schemes utilize the same electrostatic energy expression, but differ in how fragment densities are defined. In the Mayer scheme, the electrostatic component originates from the interaction of the Mulliken densities, while in the Ziegler-Rauk scheme, the undisturbed fragment densities interact. The values of the electrostatic energy resulting from the two schemes differ significantly but typically have the same order of magnitude. Both methods are useful and complementary since Mayer's decomposition focuses on the energy of the finally formed molecule, whereas the Ziegler-Rauk scheme describes the bond formation starting from undeformed fragment densities

Multifunctional ligands for application in Alzheimer’s Disease: molecular modelling and biological evaluation

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of British Columbia, Canadà, entre 2010 i 2012 La malaltia d'Alzheimer (MA) representa avui la forma més comuna de demència en la població envellida. Malgrat fa 100 anys que va ser descoberta, encara avui no existeix cap tractament preventiu i/o curatiu ni cap agent de diagnòstic que permeti valorar quantitativament l'evolució d'aquesta malaltia. L'objectiu en el que s'emmarca aquest treball és contribuir a aportar solucions al problema de la manca d'agents terapèutics i de diagnosi, unívocs i rigorosos, per a la MA. Des del camp de la química bioinorgànica és fàcil fixar-se en l'excessiva concentració d'ions Zn(II) i Cu(II) en els cervells de malalts de MA, plantejar-se la seva utilització com a dianes terapèutica i, en conseqüència, cercar agents quelants que evitin la formació de plaques senils o contribueixin a la seva dissolució. Si bé aquest va ser el punt de partida d’aquest projecte, els múltiples factors implicats en la patogènesi de la MA fan que el clàssic paradigma d’ ¨una molècula, una diana¨ limiti la capacitat de la molècula de combatre aquesta malaltia tan complexa. Per tant, un esforç considerable s’ha dedicat al disseny d’agentsmultifuncionals que combatin els múltiples factors que caracteritzen el desenvolupament de la MA. En el present treball s’han dissenyat agents multifuncionals inspirats en dos esquelets moleculars ben establers i coneguts en el camp de la química medicinal: la tioflavina-T (ThT) i la deferiprona (DFP). La utilització de tècniques in silico que inclouen càlculs farmacocinètics i modelatge molecular ha estat un procés cabdal per a l’avaluació dels millors candidats en base als següents requeriments: (a) compliment de determinades propietats farmacocinètiques que estableixin el seu possible ús com a fàrmac (b) hidrofobicitat adequada per travessar la BBB i (c) interacció amb el pèptid Aen solució.

Exploring unfrequent events with accelerated molecular dynamics simulations: from photochemistry to drug design

La meva incorporació al grup de recerca del Prof. McCammon (University of California San Diego) en qualitat d’investigador post doctoral amb una beca Beatriu de Pinós, va tenir lloc el passat 1 de desembre de 2010; on vaig dur a terme les meves tasques de recerca fins al darrer 1 d’abril de 2012. El Prof. McCammon és un referent mundial en l’aplicació de simulacions de dinàmica molecular (MD) en sistemes biològics d’interès humà. La contribució més important del Prof. McCammon en la simulació de sistemes biològics és el desenvolupament del mètode de dinàmiques moleculars accelerades (AMD). Les simulacions MD convencionals, les quals estan limitades a l’escala de temps del nanosegon (~10-9s), no son adients per l’estudi de sistemes biològics rellevants a escales de temps mes llargues (μs, ms...). AMD permet explorar fenòmens moleculars poc freqüents però que son clau per l’enteniment de molts sistemes biològics; fenòmens que no podrien ser observats d’un altre manera. Durant la meva estada a la “University of California San Diego”, vaig treballar en diferent aplicacions de les simulacions AMD, incloent fotoquímica i disseny de fàrmacs per ordinador. Concretament, primer vaig desenvolupar amb èxit una combinació dels mètodes AMD i simulacions Car-Parrinello per millorar l’exploració de camins de desactivació (interseccions còniques) en reaccions químiques fotoactivades. En segon lloc, vaig aplicar tècniques estadístiques (Replica Exchange) amb AMD en la descripció d’interaccions proteïna-lligand. Finalment, vaig dur a terme un estudi de disseny de fàrmacs per ordinador en la proteïna-G Rho (involucrada en el desenvolupament de càncer humà) combinant anàlisis estructurals i simulacions AMD. Els projectes en els quals he participat han estat publicats (o estan encara en procés de revisió) en diferents revistes científiques, i han estat presentats en diferents congressos internacionals. La memòria inclosa a continuació conté més detalls de cada projecte esmentat.

Development and validation of AMANDA, a new algorithm for selecting highly relevant regions in Molecular Interaction Fields

Descriptors based on Molecular Interaction Fields (MIF) are highly suitable for drug discovery, but their size (thousands of variables) often limits their application in practice. Here we describe a simple and fast computational method that extracts from a MIF a handful of highly informative points (hot spots) which summarize the most relevant information. The method was specifically developed for drug discovery, is fast, and does not require human supervision, being suitable for its application on very large series of compounds. The quality of the results has been tested by running the method on the ligand structure of a large number of ligand-receptor complexes and then comparing the position of the selected hot spots with actual atoms of the receptor. As an additional test, the hot spots obtained with the novel method were used to obtain GRIND-like molecular descriptors which were compared with the original GRIND. In both cases the results show that the novel method is highly suitable for describing ligand-receptor interactions and compares favorably with other state-of-the-art methods.

Suitability of GRIND-based principal properties for the description of molecular similarity and ligand-based virtual screening

The information provided by the alignment-independent GRid Independent Descriptors (GRIND) can be condensed by the application of principal component analysis, obtaining a small number of principal properties (GRIND-PP), which is more suitable for describing molecular similarity. The objective of the present study is to optimize diverse parameters involved in the obtention of the GRIND-PP and validate their suitability for applications, requiring a biologically relevant description of the molecular similarity. With this aim, GRIND-PP computed with a collection of diverse settings were used to carry out ligand-based virtual screening (LBVS) on standard conditions. The quality of the results obtained was remarkable and comparable with other LBVS methods, and their detailed statistical analysis allowed to identify the method settings more determinant for the quality of the results and their optimum. Remarkably, some of these optimum settings differ significantly from those used in previously published applications, revealing their unexplored potential. Their applicability in large compound database was also explored by comparing the equivalence of the results obtained using either computed or projected principal properties. In general, the results of the study confirm the suitability of the GRIND-PP for practical applications and provide useful hints about how they should be computed for obtaining optimum results.

Synthesis, binding affinity, and molecular docking analysis of new benzofuranone derivative as pontential antipsychotics

The complex etiology of schizophrenia has prompted researchers to develop clozapine-related multitargetstrategies to combat its symptoms. Here we describe a series of new 6-aminomethylbenzofuranones in aneffort to find new chemical structures with balanced affinities for 5-HT2 and dopamine receptors. Throughbiological and computational studies of 5-HT2A and D2 receptors, we identified the receptor serine residuesS3.36 and S5.46 as the molecular keys to explaining the differences in affinity and selectivity betweenthese new compounds for this group of receptors. Specifically, the ability of these compounds to establishone or two H-bonds with these key residues appears to explain their difference in affinity. In addition, wedescribe compound 2 (QF1004B) as a tool to elucidate the role of 5-HT2C receptors in mediating antipsychoticeffects and metabolic adverse events. The compound 16a (QF1018B) showed moderate to high affinitiesfor D2 and 5-HT2A receptors, and a 5-HT2A/D2 ratio was predictive of an atypical antipsychotic profile.

Posta a punt, automatització i validació d’una tècnica analítica per a la determinació de crom (VI) en continu mitjançant espectroscòpia d’absorció molecular

La determinació de Cr(VI) en l’aigua per espectroscòpia d’absorció molecular a la regió visible es realitza mitjançant una tècnica colorimètrica per reacció amb un reactiu cromogènic. El Cr(VI) reacciona amb la 1,5-Difenilcarbacida formant un complex de color vermell-violeta que absorbeix radiació a la longitud d’ona de 540 nm. Tradicionalment, la determinació de Cr(VI) per colorimetria es realitza de forma manual i discontínua, essent un mètode repetitiu i laboriós que té implícit un cost de mà d’obra i de temps considerable, tant pel que es refereix a la preparació de les mostres i dels patrons, com al propi acte de la mesura a l’aparell. Aquest projecte s’ha realitzat sota la idea que les determinacions de Cr(VI) per colorimetria, poden complir els requisits bàsics operacionals dels mètodes d’anàlisi de flux en continu. Partint d’aquesta base, s’ha desenvolupat un nou equip de mesura per realitzar les determinacions de Cr(VI) amb una presa de mostres automatitzada, i un règim de treball en continu. L’objectiu d’aquest projecte és la posta a punt, automatització, i validació de la tècnica d’anàlisi instrumental de determinació de crom (VI) en continu per espectroscòpia molecular visible

A 48-week study of fat molecular alterations in HIV naïve patients starting tenofovir/emtricitabine with lopinavir/ritonavir or efavirenz: Greater deleterious effects of efavirenz.

S’han descrit informes contradictoris sobre els efectes d’Efavirenz (EFV) i lopinavir/ritonavir (LPV/r) al teixit adipós subcutani (SAT). L’objectiu d’aquest estudi era evaluar els efectes moleculars i clínics de LPV/r i EFV, tots dos en combinació amb tenofovir/emtricitabina (TDF/FTC), sobre el SAT dels pacients infectats per VIH sense tractament antirretroviral previ. Després de 48 setmanes de tractament, TDF/FTC més LPV/r va augmentar de forma significativa el greix de les extremitats i els paràmetres lipídics, mentre que TDF/FTC/EFV només va augmentar de forma significativa el colesterol total i LDL. La expressió dels gens implicats en la diferenciació dels adipòcits i dels gens relacionats amb la mitocondria no va canviar de forma significativa en el SAT dels pacients exposats a LPV/r, mentre que Cyt b i els gens relacionats amb la imflamació estaven estimulats de forma significativa en el SAT dels pacients exposats a EFV.

Síntesi d'un fragment derivat del glutamat per a formar part d'un interruptor molecular

El projecte en el qual s’emmarca aquest treball de recerca es centra en el desenvolupament d’interruptors moleculars que permeten el control del funcionament d’un canal iònic de les cèl·lules del sistema nerviós central. En aquest treball de Màster en Experimentació Química, s’ha treballat, més concretament, en la síntesi del derivat del glutamat. S’ha dissenyat i desenvolupat una ruta sintètica del fragment de glutamat en 8 passos amb un 7% de rendiment global.

Microscopic and macroscopic polarization within a combined quantum mechanics and molecular mechanics model

A polarizable quantum mechanics and molecular mechanics model has been extended to account for the difference between the macroscopic electric field and the actual electric field felt by the solute molecule. This enables the calculation of effective microscopic properties which can be related to macroscopic susceptibilities directly comparable with experimental results. By seperating the discrete local field into two distinct contribution we define two different microscopic properties, the so-called solute and effective properties. The solute properties account for the pure solvent effects, i.e., effects even when the macroscopic electric field is zero, and the effective properties account for both the pure solvent effects and the effect from the induced dipoles in the solvent due to the macroscopic electric field. We present results for the linear and nonlinear polarizabilities of water and acetonitrile both in the gas phase and in the liquid phase. For all the properties we find that the pure solvent effect increases the properties whereas the induced electric field decreases the properties. Furthermore, we present results for the refractive index, third-harmonic generation (THG), and electric field induced second-harmonic generation (EFISH) for liquid water and acetonitrile. We find in general good agreement between the calculated and experimental results for the refractive index and the THG susceptibility. For the EFISH susceptibility, however, the difference between experiment and theory is larger since the orientational effect arising from the static electric field is not accurately described