Insights into mechanism kinematics for protein motion simulation

Background: The high demanding computational requirements necessary to carry out protein motion simulations make it difficult to obtain information related to protein motion. On the one hand, molecular dynamics simulation requires huge computational resources to achieve satisfactory motion simulations. On the other hand, less accurate procedures such as interpolation methods, do not generate realistic morphs from the kinematic point of view. Analyzing a protein's movement is very similar to serial robots; thus, it is possible to treat the protein chain as a serial mechanism composed of rotational degrees of freedom. Recently, based on this hypothesis, new methodologies have arisen, based on mechanism and robot kinematics, to simulate protein motion. Probabilistic roadmap method, which discretizes the protein configurational space against a scoring function, or the kinetostatic compliance method that minimizes the torques that appear in bonds, aim to simulate protein motion with a reduced computational cost. Results: In this paper a new viewpoint for protein motion simulation, based on mechanism kinematics is presented. The paper describes a set of methodologies, combining different techniques such as structure normalization normalization processes, simulation algorithms and secondary structure detection procedures. The combination of all these procedures allows to obtain kinematic morphs of proteins achieving a very good computational cost-error rate, while maintaining the biological meaning of the obtained structures and the kinematic viability of the obtained motion. Conclusions: The procedure presented in this paper, implements different modules to perform the simulation of the conformational change suffered by a protein when exerting its function. The combination of a main simulation procedure assisted by a secondary structure process, and a side chain orientation strategy, allows to obtain a fast and reliable simulations of protein motion.

Energetics and Structural Characterization of the large-scale Functional Motion of Adenylate Kinase

Adenylate Kinase (AK) is a signal transducing protein that regulates cellular energy homeostasis balancing between different conformations. An alteration of its activity can lead to severe pathologies such as heart failure, cancer and neurodegenerative diseases. A comprehensive elucidation of the large-scale conformational motions that rule the functional mechanism of this enzyme is of great value to guide rationally the development of new medications. Here using a metadynamics-based computational protocol we elucidate the thermodynamics and structural properties underlying the AK functional transitions. The free energy estimation of the conformational motions of the enzyme allows characterizing the sequence of events that regulate its action. We reveal the atomistic details of the most relevant enzyme states, identifying residues such as Arg119 and Lys13, which play a key role during the conformational transitions and represent druggable spots to design enzyme inhibitors. Our study offers tools that open new areas of investigation on large-scale motion in proteins.

O que há de metafísica na mecânica do século XVIII?

Ao contrário do período precedente de criação da chamada ciência moderna, o século XVIII parece não desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento da física. Na visão de muitos autores, o século das luzes é considerado como uma fase de organização da mecânica que teve seu coroamento com as obras de Lagrange, imediatamente precedidas por Euler e dAlembert. Muitos autores afirmam que na formulação da mecânica racional houve uma eliminação gradual da metafísica e também da teologia e que o surgimento da física moderna veio acompanhado por uma rejeição da metafísica aristotélica da substância e qualidade, forma e matéria, potência e ato. O ponto central da tese é mostrar que, no século XVIII, houve uma preocupação e um grande esforço de alguns filósofos naturais que participaram da formação da mecânica, em determinar como seria possível descrever fenômenos através da matemática. De uma forma geral, a filosofia mecanicista exigia que as mudanças observadas no mundo natural fossem explicadas apenas em termos de movimento e de rearranjos das partículas da matéria, uma vez que os predecessores dos filósofos iluministas conseguiram, em parte, eliminar da filosofia natural o conceito de causas finais e a maior parte dos conceitos aristotélicos de forma e substância, por exemplo. Porém, os filósofos mecanicistas divergiam sobre as causas do movimento. O que faria um corpo se mover? Uma força externa? Uma força interna? Força nenhuma? Todas essas posições tinham seus adeptos e todas sugeriam reflexões filosóficas que ultrapassavam os limites das ciências da natureza. Mais ainda: conceitos como espaço, tempo, força, massa e inércia, por exemplo, são conceitos imprescindíveis da mecânica que representam uma realidade. Mas como a manifestação dessa realidade se torna possível? Como foram definidos esses conceitos? Embora não percebamos explicitamente uma discussão filosófica em muitos livros que versam sobre a mecânica, atitudes implícitas dessa natureza são evidentes no tratamento das questões tais como a ambição à universalidade e a aplicação da matemática. Galileu teve suas motivações e suas razões para afirmar que o livro da natureza está escrito em liguagem matemática. No entanto, embora a matemática tenha se tornado a linguagem da física, mostramos com esta tese que a segunda não se reduz à primeira. Podemos, à luz desta pesquisa, falarmos de uma mecânica racional no sentido de ser ela proposta pela razão para organizar e melhor estruturar dados observáveis obtidos através da experimentação. Porém, mostramos que essa ciência não foi, como os filósofos naturais pretendiam que assim fosse, obtidas sem hipóteses e convenções subjetivas. Por detrás de uma representação explicativa e descritiva dos fenômenos da natureza e de uma consistência interna de seus próprios conteúdos confirmados através da matemática, verificamos a presença da metafísica.