Hepatitis C virus variants resistant to macrocyclic NS3-4A inhibitors subvert IFN-β induction by efficient MAVS cleavage.

BACKGROUND & AIMS: The hepatitis C virus (HCV) NS3-4A protease is essential for the HCV life cycle and a prime target of antiviral treatment strategies. Protease inhibitors, however, are limited by emergence of resistance-associated amino acid variants (RAVs). The capacity to cleave and inactivate mitochondrial antiviral-signaling protein (MAVS) in the RIG-I-signaling pathway is a cardinal feature of NS3-4A, by which HCV blocks induction of interferon-(IFN)-β, thereby promoting viral persistence. Here, we aimed to investigate the impact of NS3-4A RAVs on MAVS cleavage. METHODS: The impact of NS3-4A RAVs on MAVS cleavage was assessed using immunoblot analyses, luciferase reporter assays and molecular dynamics simulations to study the underlying molecular principles. IFN-β was quantified in serum from patients with different NS3-4A RAVs. RESULTS: We show that macrocyclic NS3-4A RAVS with substitutions at residue D168 of the protease result in an increased capacity of NS3-4A to cleave MAVS and suppress IFN-β induction compared with a comprehensive panel of RAVs and wild type HCV. Mechanistically, we show the reconstitution of a tight network of electrostatic interactions between protease and the peptide substrate that allows much stronger binding of MAVS to D168 RAVs than to the wild-type protease. Accordingly, we could show IFN-β serum levels to be lower in patients with treatment failure due to the selection of D168 variants compared to R155 RAVs. CONCLUSIONS: Our data constitutes a proof of concept that the selection of RAVs against specific classes of direct antivirals can lead to the predominance of viral variants with possibly adverse pathogenic characteristics.

Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston soveltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti roottorin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitulosten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dynamiikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin elementtimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysjakaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan analysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saatiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Virtuaaliprototyypin käyttö kallioporakoneen dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston soveltuvuus kallioporakoneen dynamiikan analysointiin. Työssä mallinnettiin parametrisoitu virtuaaliprototyyppi uudenlaisella toimintaperiaatteella toimivasta kallioporakoneesta. Virtuaaliprototyyppiä on tarkoitus käyttää fyysisen prototyypin mitoituksessa sekä porakoneen toiminnan simuloinnissa ja suorituskyvyn arvioinnissa ennen ensimmäisen fyysisen prototyypin valmistamista. Mallinnus tehtiin ADAMS -ohjelmistoa ja siihen liitettävää ADAMS/Hydraulics -moduulia käyttäen. Mallinnuksessa kiinnitettiin huomiota erityisesti porakoneessa esiintyvien vuotovirtauksien huomioimiseen. ADAMS -ohjelmisto soveltuu hyvin hydraulisen iskuporakoneen dynaamisten ilmiöiden simulointiin. Koska fyysistä prototyyppiä ei ole vielä olemassa, ei mallin toimintaa voida kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa verifioida mittauksin. Simuloitujen tulosten perusteella voidaan todeta uuden toimintaperiaatteen olevan käyttökelpoinen kallion poraukseen. Parametrisoitua virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää tehokkaasti hyväksi tuotekehitysvaiheessa sekä se voidaan liittää osaksi laajempaa ja yksityiskohtaisempaa porauslaitteen simulointimallia.

Monikappalesysteemin esikäsittelijä kaupallisessa ympäristössä

Työn tavoitteena oli tehdä monikappalesysteemin esikäsittelijä, joka toimii CAD-ohjelmiston yhteydessä. CAD-ohjelmistoksi valittiin SolidWorks-ohjelmisto. Esikäsittelijästä tehtiin yhteensopiva monikappaledynamiikan simulointi ohjelmiston kanssa, joka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Aikaansaadun esikäsittelijän avulla pystytään tuottamaan monikappaledynamiikan simuloinnissa tarvittavat lähtötiedot. Lähtötiedot esikäsittelijä laskee käyttäjän tekemästä kokoonpanokuvasta ja käyttäjän antamista tiedoista. Esikäsittelijän toiminta verifioitiin kaupallisin simulointiohjelmisto ADAMS:n avulla. Esikäsittelijän todettiin toimivan luotettavasti ja täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi esikäsittelijän todettiin nopeuttavan huomattavasti simulointimallien tekoa.

Siltanosturin mallinnusmenetelmien kehittäminen

Työn tarkoituksena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston (Adams) soveltuvuus siltanosturin mallintamiseen. Työn kohteena oli kaksipalkkinen siltanosturi, joka sijaitsi KCI:n tiloissa Hyvinkäällä. Nosturin jänneväli oli noin 19.5 metriä ja nostokyky 16 tonnia. Mallintamisessa keskityttiin nosturin dynamiikkaan sekä ohjausvoimiin nosturin kantopyörissä. Simulointitulokset verifioitiin mittauksin. Koska mallista haluttiin mahdollisimman yksinkertainen, mallinnettiin ainoastaan pääkannattajat ja köydet joustavina. Muut osat mallinnettiin jäykkinä. Yksinkertaisuuteen pyrittiin sen vuoksi, että mallia oli tarkoitus käyttää perustana komponenttikirjaston luomiseksi myöhempää käyttöä varten. Tuloksista todettiin mallin soveltuvan hyvin nosturin dynamiikan mallintamiseen. Mallista saatavat tulokset vastasivat hyvin mitattuja liikkeitä. Ohjausvoimia ei kuitenkaan saatu verifioitua. Käytetty mittausmenetelmä osoittautui sopimattomaksi.

Oxygen adsorption on clean and oxygen precovered Cu(100)

Kuparipinnan hapettumisen alkuvaiheet ovat vielä nykyisin tutkijoille epäselviä. Kuitenkin, jotta hapettumisprosessia voitaisiin säädellä, on sangen tärkeää ymmärtää mistä varsinainen hapettuminen lähtee liikkeelle ja mitkä ovat hapettumisen seuraavat vaiheet. Tähän kysymykseen haetaan vastauksia tässä työssä käyttäen puhtaasti teoreettisia menetelmiä pinnan käsittelyssä. Aikaisempien teoreettisten ja kokeellisten tutkimusten välillä on pieni ristiriita liittyen hapen tarttumistodennäköisyyteen. Teoreettisten tutkimusten mukaan happi ei puhtaalle pinnalle tullessaan näe potentiaalivallia, mutta kokeelliset tutkimukset osoittavat sellaisen kuitenkin olevan. Tuohon ristiriitaan pureudutaan käyttäen aikaisemmista laskuista poikkeavaa kvanttimekaaniseen molekyylidynamiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Työssä havaitaan, että aikaisemmin yleisesti käytetty menetelmä hukkaa huomattavan määrän tietoa ja siten tutkijat eivät voi ainoastaan tyytyä tarkastelemaan kyseisellä menetelmällä saatuja tuloksia. Kuparipinnalle havaittiin, että korkeilla molekyylin kineettisen energian arvolla aikaisemmin suoritetut laskut hajottavista trajektoreista pitävät paikkansa, mutta matalilla kineettisen energian arvoilla molekyyli kohtaa erittäin voimakkaan ``steering'' vaikutuksen ja trajektorit joiden piti olla hajottavia johtavatkin molekulaariseen adsorptioon. Kun hapen konsentraatio pinnalla on suurempi kuin 0.5 ML, pinta rekonstruoituu. Myös rekonstruktion jälkeistä pintaa on tutkittu samanlaisilla menetelmillä kuin puhdasta pintaa. Rekonstruoituneelle pinnalle ei löydetty hajottavia trajektoreita ja havaittiin, että hapelle annetun kineettisen energian matalilla arvoilla myös tässä tapauksessa on erittäin voimakas ``steering'' vaikutus.

Dynamic arrest in polymer melts: competition between packing and intramolecular barriers

We present molecular dynamics simulations of a simple model for polymer melts with intramolecular barriers. We investigate structural relaxation as a function of the barrier strength. Dynamic correlators can be consistently analyzed within the framework of the mode coupling theory of the glass transition. Control parameters are tuned in order to induce a competition between general packing effects and polymer-specific intramolecular barriers as mechanisms for dynamic arrest. This competition yields unusually large values of the so-called mode coupling theory exponent parameter and rationalizes qualitatively different observations for simple bead-spring and realistic polymers. The systematic study of the effect of intramolecular barriers presented here also establishes a fundamental difference between the nature of the glass transition in polymers and in simple glass formers.

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.

Generation of supercoils in nicked and gapped DNA drives DNA unknotting and postreplicative decatenation.

Due to the helical structure of DNA the process of DNA replication is topologically complex. Freshly replicated DNA molecules are catenated with each other and are frequently knotted. For proper functioning of DNA it is necessary to remove all of these entanglements. This is done by DNA topoisomerases that pass DNA segments through each other. However, it has been a riddle how DNA topoisomerases select the sites of their action. In highly crowded DNA in living cells random passages between contacting segments would only increase the extent of entanglement. Using molecular dynamics simulations we observed that in actively supercoiled DNA molecules the entanglements resulting from DNA knotting or catenation spontaneously approach sites of nicks and gaps in the DNA. Type I topoisomerases, that preferentially act at sites of nick and gaps, are thus naturally provided with DNA-DNA juxtapositions where a passage results in an error-free DNA unknotting or DNA decatenation.

Structure-Based, Rational Design of T Cell Receptors.

Adoptive cell transfer using engineered T cells is emerging as a promising treatment for metastatic melanoma. Such an approach allows one to introduce T cell receptor (TCR) modifications that, while maintaining the specificity for the targeted antigen, can enhance the binding and kinetic parameters for the interaction with peptides (p) bound to major histocompatibility complexes (MHC). Using the well-characterized 2C TCR/SIYR/H-2K(b) structure as a model system, we demonstrated that a binding free energy decomposition based on the MM-GBSA approach provides a detailed and reliable description of the TCR/pMHC interactions at the structural and thermodynamic levels. Starting from this result, we developed a new structure-based approach, to rationally design new TCR sequences, and applied it to the BC1 TCR targeting the HLA-A2 restricted NY-ESO-1157-165 cancer-testis epitope. Fifty-four percent of the designed sequence replacements exhibited improved pMHC binding as compared to the native TCR, with up to 150-fold increase in affinity, while preserving specificity. Genetically engineered CD8(+) T cells expressing these modified TCRs showed an improved functional activity compared to those expressing BC1 TCR. We measured maximum levels of activities for TCRs within the upper limit of natural affinity, K D = ∼1 - 5 μM. Beyond the affinity threshold at K D < 1 μM we observed an attenuation in cellular function, in line with the "half-life" model of T cell activation. Our computer-aided protein-engineering approach requires the 3D-structure of the TCR-pMHC complex of interest, which can be obtained from X-ray crystallography. We have also developed a homology modeling-based approach, TCRep 3D, to obtain accurate structural models of any TCR-pMHC complexes when experimental data is not available. Since the accuracy of the models depends on the prediction of the TCR orientation over pMHC, we have complemented the approach with a simplified rigid method to predict this orientation and successfully assessed it using all non-redundant TCR-pMHC crystal structures available. These methods potentially extend the use of our TCR engineering method to entire TCR repertoires for which no X-ray structure is available. We have also performed a steered molecular dynamics study of the unbinding of the TCR-pMHC complex to get a better understanding of how TCRs interact with pMHCs. This entire rational TCR design pipeline is now being used to produce rationally optimized TCRs for adoptive cell therapies of stage IV melanoma.

Técnicas de análise do perfil de execução e otimização de programas em química computacional

In this paper we review the basic techniques of performance analysis within the UNIX environment that are relevant in computational chemistry, with particular emphasis on the execution profile using the gprof tool. Two case studies (in ab initio and molecular dynamics calculations) are presented in order to illustrate how execution profiling can be used to effectively identify bottlenecks and to guide source code optimization. Using these profiling and optimization techniques it was possible to obtain significant speedups (of up to 30%) in both cases.

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.