Cluster glasses of ultrasoft particles

We present molecular dynamics (MD) simulations results for dense fluids of ultrasoft, fully penetrable particles. These are a binary mixture and a polydisperse system of particles interacting via the generalized exponential model, which is known to yield cluster crystal phases for the corresponding monodisperse systems. Because of the dispersity in the particle size, the systems investigated in this work do not crystallize and form disordered cluster phases. The clusteringtransition appears as a smooth crossover to a regime in which particles are mostly located in clusters, isolated particles being infrequent. The analysis of the internal cluster structure reveals microsegregation of the big and small particles, with a strong homo-coordination in the binary mixture. Upon further lowering the temperature below the clusteringtransition, the motion of the clusters" centers-of-mass slows down dramatically, giving way to a cluster glass transition. In the cluster glass, the diffusivities remain finite and display an activated temperature dependence, indicating that relaxation in the cluster glass occurs via particle hopping in a nearly arrested matrix of clusters. Finally we discuss the influence of the microscopic dynamics on the transport properties by comparing the MD results with Monte Carlo simulations.

The structure of human tRNALys3 anticodon bound to HIV genome is stabilized by modified nucleosides and adjacent mismatch base pairs

Replication of human immunodeficiency virus (HIV) requires base pairing of the reverse transcriptase primer, human tRNA(Lys3), to the viral RNA. Although the major complementary base pairing occurs between the HIV primer binding sequence (PBS) and the tRNA's 3'-terminus, an important discriminatory, secondary contact occurs between the viral A-rich Loop I, 5'-adjacent to the PBS, and the modified, U-rich anticodon domain of tRNA(Lys3). The importance of individual and combined anticodon modifications to the tRNA/HIV-1 Loop I RNA's interaction was determined. The thermal stabilities of variously modified tRNA anticodon region sequences bound to the Loop I of viral sub(sero)types G and B were analyzed and the structure of one duplex containing two modified nucleosides was determined using NMR spectroscopy and restrained molecular dynamics. The modifications 2-thiouridine, s(2)U(34), and pseudouridine, Psi(39), appreciably stabilized the interaction of the anticodon region with the viral subtype G and B RNAs. The structure of the duplex results in two coaxially stacked A-form RNA stems separated by two mismatched base pairs, U(162)*Psi(39) and G(163)*A(38), that maintained a reasonable A-form helix diameter. The tRNA's s(2)U(34) stabilized the interaction between the A-rich HIV Loop I sequence and the U-rich anticodon, whereas the tRNA's Psi(39) stabilized the adjacent mismatched pairs.

Um potencial de interação para o estudo de materiais e simulações por dinâmica molecular

The Vashishta-Rahman effective interaction potential, based on the Pauling's concept of "ionic radii", has been successfully employed to investigate structural and dynamical properties of different classes of material. By celebrating Pauling's birth centenary, we review the building up of the Vashishta-Rahman potential and we present molecular-dynamics simulation results for structure and dynamics of superionic materials, chalcogenide glasses and metallic oxides.

Estudo da estrutura e da solvatação do HNP-3, um antibiótico natural, por dinâmica molecular

The structure and hydration of the HNP-3 have been derived from molecular dynamics data using root mean square deviation, radial and energy distributions. Three antiparallel beta sheets were found to be preserved. 15 intramolecular hydrogen bonds were identified together with 36 hydrogen bonds on the backbone and 35 on the side chain atoms. From the point of view of the hydration dynamics, the analysis shows a high solvent accessibility of the monomer and attractive interactions with water molecules.

Dual Action of BPC194: A Membrane Active Peptide Killing Bacterial Cells

Membrane active peptides can perturb the lipid bilayer in several ways, such as poration and fusion of the target cell membrane, and thereby efficiently kill bacterial cells. We probe here the mechanistic basis of membrane poration and fusion caused by membrane-active, antimicrobial peptides. We show that the cyclic antimicrobial peptide, BPC194, inhibits growth of Gram-negative bacteria and ruptures the outer and inner membrane at the onset of killing, suggesting that not just poration is taking place at the cell envelope. To simplify the system and to better understand the mechanism of action, we performed Förster resonance energy transfer and cryogenic transmission electron microscopy studies in model membranes and show that the BPC194 causes fusion of vesicles. The fusogenic action is accompanied by leakage as probed by dual-color fluorescence burst analysis at a single liposome level. Atomistic molecular dynamics simulations reveal how the peptides are able to simultaneously perturb the membrane towards porated and fused states. We show that the cyclic antimicrobial peptides trigger both fusion and pore formation and that such large membrane perturbations have a similar mechanistic basis

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Propriedades dinâmicas de fluidos por simulação computacional: métodos híbridos atomístico-contínuo

Computational methods for the calculation of dynamical properties of fluids might consider the system as a continuum or as an assembly of molecules. Molecular dynamics (MD) simulation includes molecular resolution, whereas computational fluid dynamics (CFD) considers the fluid as a continuum. This work provides a review of hybrid methods MD/CFD recently proposed in the literature. Theoretical foundations, basic approaches of computational methods, and dynamical properties typically calculated by MD and CFD are first presented in order to appreciate the similarities and differences between these two methods. Then, methods for coupling MD and CFD, and applications of hybrid simulations MD/CFD, are presented.

Association between the c.910A>G genetic variant of the XRCC1 gene and susceptibility to esophageal cancer in the Chinese Han population

Esophageal cancer (EC) is a common malignancy worldwide. The X-ray repair cross-complementing 1 gene (XRCC1) is one of the most important candidate genes for influencing susceptibility to EC. This study aimed to investigate the effect of XRCC1 genetic variants on susceptibility to EC. A total of 383 EC patients (males: 239, females: 144, mean age: 56.62) and 387 cancer-free controls (males: 251, females: 136, mean age: 58.23) were enrolled in this study. The c.910A>G genetic variant of theXRCC1 gene was determined by polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism and DNA sequencing methods. The allele and genotype frequencies indicated statistical differences between EC patients and cancer-free controls. The c.910A>G genetic variant was statistically associated with increased susceptibility to EC [GGvs AA: odds ratio (OR)=1.79, 95% confidence interval (CI)=1.12-2.86, P=0.014; GG vs AG/AA: OR=1.76, 95%CI=1.13-2.75, P=0.013; G vs A: OR=1.25, 95%CI=1.01-1.55, P=0.041]. The allele G and genotype GG could contribute to the increased susceptibility to EC. Our findings suggest that the c.910A>G genetic variant is associated with susceptibility to EC in the Chinese Han population, and might be used as a molecular marker for detecting susceptibility to EC.

Étude des interactions supramoléculaires par modélisation moléculaire

L’avancée des infrastructures informatiques a permis l’émergence de la modélisation moléculaire. À cet effet, une multitude de modèles mathématiques sont aujourd’hui disponibles pour simuler différents systèmes chimiques. À l’aide de la modélisation moléculaire, différents types d’interactions chimiques ont été observés. À partir des systèmes les plus simples permettant l’utilisation de modèles quantiques rigoureux, une série d’approximations a été considérée pour rendre envisageable la simulation de systèmes moléculaires de plus en plus complexes. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps a été utilisée pour simuler les énergies d’excitation de molécules photoactives. De manière similaire, la DFT indépendante du temps a permis la simulation du pont hydrogène intramoléculaire de structures analogues au 1,3,5-triazapentadiène et la rationalisation de la stabilité des états de transition. Par la suite, la dynamique moléculaire et la mécanique moléculaire ont permis de simuler les interactions d’un trimère d’acide cholique et d’un pyrène dans différents solvants. Cette même méthodologie a été utilisée pour simuler les interactions d’un rotaxane-parapluie à l’interface d’un système biphasique. Finalement, l’arrimage moléculaire et les fonctions de score ont été utilisés pour simuler les interactions intermoléculaires entre une protéine et des milliers de candidats moléculaires. Les résultats ont permis de mettre en place une stratégie de développement d’un nouvel inhibiteur enzymatique.

Caratérisation de la surface d’énergie potentielle des matériaux complexes et son application sur la cinétique du SiO2/Si

Dans ce rapport de mémoire, nous avons utilisé les méthodes numériques telles que la dynamique moléculaire (code de Lammps) et ART-cinétique. Ce dernier est un algorithme de Monte Carlo cinétique hors réseau avec construction du catalogue d'événements à la volée qui incorpore exactement tous les effets élastiques. Dans la première partie, nous avons comparé et évalué des divers algorithmes de la recherche du minimum global sur une surface d'énergie potentielle des matériaux complexes. Ces divers algorithmes choisis sont essentiellement ceux qui utilisent le principe Bell-Evans-Polanyi pour explorer la surface d'énergie potentielle. Cette étude nous a permis de comprendre d'une part, les étapes nécessaires pour un matériau complexe d'échapper d'un minimum local vers un autre et d'autre part de contrôler les recherches pour vite trouver le minimum global. En plus, ces travaux nous ont amené à comprendre la force de ces méthodes sur la cinétique de l'évolution structurale de ces matériaux complexes. Dans la deuxième partie, nous avons mis en place un outil de simulation (le potentiel ReaxFF couplé avec ART-cinétique) capable d'étudier les étapes et les processus d'oxydation du silicium pendant des temps long comparable expérimentalement. Pour valider le système mis en place, nous avons effectué des tests sur les premières étapes d'oxydation du silicium. Les résultats obtenus sont en accord avec la littérature. Cet outil va être utilisé pour comprendre les vrais processus de l'oxydation et les transitions possibles des atomes d'oxygène à la surface du silicium associée avec les énergies de barrière, des questions qui sont des défis pour l'industrie micro-électronique.

Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire

L’ablation laser de verres métalliques de CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 et 0.67) et d’un alliage métallique cristallin de CuZr2 dans la structure C11b a été étudiée par dynamique moléculaire (DM) combinée à un modèle à deux températures (TTM). Le seuil d’ablation (Fth) a été déterminé pour chacun des 4 échantillons et s'est avéré plus bas pour les échantillons plus riches en Cu étant donné que la cohésion du Cu est plus faible que celle du Zr dans tous les échantillons. Pour x=0.33, Fth est plus bas pour le cristal que pour l’amorphe car le couplage électron-phonon est plus faible dans ce dernier, ce qui implique que l’énergie est transférée plus lentement du système électronique vers le système ionique pour le a-CuZr2 que le c-CuZr2. La vitesse de l’onde de pression créée par l’impact du laser croît avec la fluence dans l’échantillon cristallin, contrairement aux échantillons amorphes dans lesquels sa vitesse moyenne est relativement constante avec la fluence. Ceci est expliqué par le fait que le module de cisaillement croît avec la pression pour le cristal, ce qui n’est pas le cas pour les verres métalliques étudiés. Finalement, la zone affectée par la chaleur (HAZ) a été étudiée via la profondeur de fusion et les déformations plastiques. La plus faible température de fusion des échantillons amorphes implique que la profondeur de fusion est plus importante dans ceux-ci que dans l’échantillon cristallin. Dans les verres métalliques, les déformations plastiques ont été identifiées sous forme de zones de transformation par cisaillement (STZ) qui diffusent et fusionnent à plus haute fluence. Aucune déformation plastique importante n’a été identifiée dans le c-CuZr2 mis à part de légères déformations près du front de fusion causées par les contraintes résiduelles. Ce travail a ainsi permis d’améliorer notre compréhension de l’ablation laser sur les verres métalliques et de l’étendue des dommages qu’elle peut entraîner.

Développements et applications de méthodes computationnelles pour l'étude de l'agrégation des protéines amyloïdes

Les protéines sont au coeur de la vie. Ce sont d'incroyables nanomachines moléculaires spécialisées et améliorées par des millions d'années d'évolution pour des fonctions bien définies dans la cellule. La structure des protéines, c'est-à-dire l'arrangement tridimensionnel de leurs atomes, est intimement liée à leurs fonctions. L'absence apparente de structure pour certaines protéines est aussi de plus en plus reconnue comme étant tout aussi cruciale. Les protéines amyloïdes en sont un exemple marquant : elles adoptent un ensemble de structures variées difficilement observables expérimentalement qui sont associées à des maladies neurodégénératives. Cette thèse, dans un premier temps, porte sur l'étude structurelle des protéines amyloïdes bêta-amyloïde (Alzheimer) et huntingtine (Huntington) lors de leur processus de repliement et d'auto-assemblage. Les résultats obtenus permettent de décrire avec une résolution atomique les interactions des ensembles structurels de ces deux protéines. Concernant la protéine bêta-amyloïde (AB), nos résultats identifient des différences structurelles significatives entre trois de ses formes physiologiques durant ses premières étapes d'auto-assemblage en environnement aqueux. Nous avons ensuite comparé ces résultats avec ceux obtenus au cours des dernières années par d'autres groupes de recherche avec des protocoles expérimentaux et de simulations variés. Des tendances claires émergent de notre comparaison quant à l'influence de la forme physiologique de AB sur son ensemble structurel durant ses premières étapes d'auto-assemblage. L'identification des propriétés structurelles différentes rationalise l'origine de leurs propriétés d'agrégation distinctes. Par ailleurs, l'identification des propriétés structurelles communes offrent des cibles potentielles pour des agents thérapeutiques empêchant la formation des oligomères responsables de la neurotoxicité. Concernant la protéine huntingtine, nous avons élucidé l'ensemble structurel de sa région fonctionnelle située à son N-terminal en environnement aqueux et membranaire. En accord avec les données expérimentales disponibles, nos résultats sur son repliement en environnement aqueux révèlent les interactions dominantes ainsi que l'influence sur celles-ci des régions adjacentes à la région fonctionnelle. Nous avons aussi caractérisé la stabilité et la croissance de structures nanotubulaires qui sont des candidats potentiels aux chemins d'auto-assemblage de la région amyloïde de huntingtine. Par ailleurs, nous avons également élaboré, avec un groupe d'expérimentateurs, un modèle détaillé illustrant les principales interactions responsables du rôle d'ancre membranaire de la région N-terminal, qui sert à contrôler la localisation de huntingtine dans la cellule. Dans un deuxième temps, cette thèse porte sur le raffinement d'un modèle gros-grain (sOPEP) et sur le développement d'un nouveau modèle tout-atome (aaOPEP) qui sont tous deux basés sur le champ de force gros-grain OPEP, couramment utilisé pour l'étude du repliement des protéines et de l'agrégation des protéines amyloïdes. L'optimisation de ces modèles a été effectuée dans le but d'améliorer les prédictions de novo de la structure de peptides par la méthode PEP-FOLD. Par ailleurs, les modèles OPEP, sOPEP et aaOPEP ont été inclus dans un nouveau code de dynamique moléculaire très flexible afin de grandement simplifier leurs développements futurs.