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.

Obtenció de nous anàlegs amb activitat brassinoesteroide mitjançant modelització molecular i síntesi

Els brassinoesteroides són productes naturals que actuen com a potents reguladors del creixement vegetal. Presenten aplicacions prometedores en l’agricultura degut a que, aplicats exògenament, augmenten la qualitat i la quantitat de les collites. Ara bé, el seu ús s’ha vist restringit degut a la seva costosa obtenció. Aquest fet ha motivat la recerca de nous compostos actius més assequibles. En aquest projecte es planteja el disseny i obtenció de nous anàlegs seguint diferents estratègies que impliquen tant l’ús de mètodes de modelització molecular com de síntesi orgànica. La primera d’aquestes estratègies consisteix en buscar compostos actius en bases de dades de compostos comercials a través de processos de Virtual Screening desenvolupats amb mètodes computacionals basats en Camps d’Interacció Molecular. Així, es van establir i interpretar models de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR) emprant descriptors independents de l’alineament (GRIND) i, amb col•laboració amb la Universitat de Perugia, aquest criteri de cerca es va ampliar amb l’aplicació de descriptors FLAP de nova generació. Una altra estratègia es va basar en intentar substituir l’esquelet esteroide dels brassinoesteroides per una estructura equivalent, fixant com a cadena lateral el grup (R)-hexahidromandelil. S’han aplicat dos criteris: mètodes computacionals basats en models QSAR establerts amb descriptors GRIND i també en la metodologia SHOP (scaffold hopping), i, per altra banda, anàlegs proposats racionalment a partir d’un estudi efectuat sobre disruptors endocrins no esteroïdals. Sobre les estructures trobades s’hi va unir la cadena lateral comercial esmentada per via sintètica, en la qual s’ha hagut de fer un èmfasi especial en grups protectors. En total, 49 estructures es proposen per a ser obtingudes sintèticament. També s’ha treballat en l’obtenció un agonista derivat de l’hipotètic antagonista KM-01. Totes les molècules candidates, ja siguin comercials o obtingudes sintèticament, estant sent avaluades en el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT).

Detecció, identificació de Mycobacterium tuberculosis i caracterització molecular de la resistència als principals antituberculosos en mostra clínica directa mitjançant piroseqüenciació: aplicabilitat en l’estudi de la clonalitat de les soques.

L’augment de soques de Mycobacerium tuberculosis multiresistents i l’aparició de soques extremadament resistents, ha posat de manifest la necessitat de disposar de nous mètodes de detecció precoç de M.tuberculosis i les seves resistències als principals fàrmacs antituberculosos, així com l’estudi eficaç dels brots, per a poder dur a terme un control eficient de la malaltia. L’objectiu de l’estudi va ser determinar la capacitat de la piroseqüenciació per a detectar i identificar micobacteris a partir d’aïllats clínics i mostra directa, determinar el seu patró de resistència a Rifampicina, Isoniacida, Etambutol, Fluoroquinolones, Canamicina i Capreomicina i explorar la seva potencialitat per a ser emprada en el tipatge molecular de les soques. Mitjançant la optimització de la tecnologia de la piroseqüenciació pels gens analitzats, i el disseny de primers específics, hem verificat la utilitat de la piroseqüenciació per al maneig de la tuberculosi. S’ha pogut estudiar la presència de mutacions relacionades amb resistències a fàrmacs de primera línia en el 96.5% de les posicions analitzades en soca clínica i en el 70.4% en mostra directa. Van concordar amb el resultats obtinguts per altres mètodes fenotípics i/o fenotípics el 97.1% i el 98.2% del resultats obtinguts en soca clínica i mostra directa respectivament. La piroseqüenciació ens ha permet analitzar la presència de mutacions relacionades amb resistències a antituberculosos de segona línia, servint com a mètode de confirmació en l’anàlisi d’altres mètodes genotípics. La tècnica ens ha permès també identificar els principals micobacteris no tuberculosos implicats en la infecció humana, sòls o en coinfecció. Resultats preliminars mostren que l’anàlisi amb piroseqüenciació pot ser d’utilitat per l’estudi clonal de les soques de M.tuberculosis. Les nostres observacions mostren la piroseqüenciació com una eina valuosa en l’àmbit clínic, ja que permet una reducció de la demora del diagnòstic, estudi filogenètic i detecció de resistències M.tuberculosis, i per tant una millora de l’aplicació del tractament adequat, ajudant al control de la malaltia.

Paper de l’ Haemophilus influenzae en les exacerbacions de la Malaltia Pulmonar Obstructiva Crònica (MPOC): tipificació molecular i factors de virulència

Objetivos: 1.-Identificar los factores clínicos y microbiológicos que ayuden a predecir la aparición de exacerbaciones en la EPOC. 2.-Diagnóstico y cuantificación de las especies bacterianas aisladas en esputo (fase de exacerbación y estable) .3.- Tipificación genotípica secuencial de las cepas de H. influenzae y P. aeruginosa. 4.- Impacto del tratamiento antibiótico en la aparición de resistencias en estos patógenos. 5.- Diseño: Estudio prospectivo (3 años). Ámbito del estudio: Hospital Universitario de tercer nivel. Pacientes con EPOC grave atendidos en la Consulta Monográfica de EPOC del Servicio de Neumología. Métodos microbiológicos: Cuantificación de la carga bacteriana en muestras respiratorias en fase estable y en exacerbación. Estudio de la sensibilidad “in vitro”. Tipificación molecular (PFGE y MLST) de H. influenzae y P. aeruginosa. Estudio de los genes de virulencia de H. influenzae mediante PCR. Resultados: Desde Febrero de 2010 a Julio de 2011 se han incluido 77 pacientes. Los microorganismos más frecuentemente aislados en fase de exacerbación fueron: P. aeruginosa (29.3%), H. influenzae (15.92%), M. catarrhalis (12.74%), S. pneumoniae (10.19%) y S. aureus (5.10%). En los 88 episodios por P. aeruginosa se detectaron 38 genotipos diferentes. En los 41 episodios por H. influenzae se detectaron 39 genotipos diferentes. El 10% de los episodios fueron polimicrobianos. Los episodios de EAEPOC y de fase estable tuvieron una distribución de microorganismos similar. Sin embargo, cuando se cuantificaron las cargas bacterianas fueron mayores en EAEPOC (intervalo 4x107 -2x108) que en fase estable (intervalo 2x105 -4x107). Conclusiones: El genotipo de las cepas de P. aeruginosa y H. influenzae aisladas en EAEPOC difieren de un paciente a otro, sin embargo la mayoría de los episodios de cada paciente están causados por un genotipo único.

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.

The Coordinated Radio and Infrared Survey for High-Mass Star Formation (The CORNISH Survey). I. Survey Design

We describe the motivation, design, and implementation of the CORNISH survey, an arcsecondresolution radio continuum survey of the inner galactic plane at 5 GHz using the Very Large Array (VLA). It is a blind survey coordinated with the northern SpitzerGLIMPSE I region covering 10° molecular phases to build up a complete picture of the interstellar medium in the Galaxy.