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.

Lipid binding by the unique and SH3 domains of c-Src suggests a new regulation mechanism

c-Src is a non-receptor tyrosine kinase involved in numerous signal transduction pathways. The kinase,SH3 and SH2 domains of c-Src are attached to the membrane-anchoring SH4 domain through the flexible Unique domain. Here we show intra- and intermolecular interactions involving the Unique and SH3 domains suggesting the presence of a previously unrecognized additional regulation layer in c-Src. We have characterized lipid binding by the Unique and SH3 domains, their intramolecular interaction and its allosteric modulation by a SH3-binding peptide or by Calcium-loaded calmodulin binding to the Unique domain. We also show reduced lipid binding following phosphorylation at conserved sites of the Unique domain. Finally, we show that injection of full-length c-Src with mutations that abolish lipid binding by the Unique domain causes a strong in vivo phenotype distinct from that of wild-type c-Src in a Xenopus oocyte model system, confirming the functional role of the Unique domain in c-Src regulation.

rDock: A Fast, Versatile and Open Source Program for Docking Ligands to Proteins and Nucleic Acids

Identification of chemical compounds with specific biological activities is an important step in both chemical biology and drug discovery. When the structure of the intended target is available, one approach is to use molecular docking programs to assess the chemical complementarity of small molecules with the target; such calculations provide a qualitative measure of affinity that can be used in virtual screening (VS) to rank order a list of compounds according to their potential to be active. rDock is a molecular docking program developed at Vernalis for high-throughput VS (HTVS) applications. Evolved from RiboDock, the program can be used against proteins and nucleic acids, is designed to be computationally very efficient and allows the user to incorporate additional constraints and information as a bias to guide docking. This article provides an overview of the program structure and features and compares rDock to two reference programs, AutoDock Vina (open source) and Schrodinger's Glide (commercial). In terms of computational speed for VS, rDock is faster than Vina and comparable to Glide. For binding mode prediction, rDock and Vina are superior to Glide. The VS performance of rDock is significantly better than Vina, but inferior to Glide for most systems unless pharmacophore constraints are used; in that case rDock and Glide are of equal performance. The program is released under the Lesser General Public License and is freely available for download, together with the manuals, example files and the complete test sets, at http://rdock.sourceforge.net/

Emergência da Bioquímica Interacção das culturas química e biológica

Em primeiro lugar, definiremos o âmbito da disciplina de bioquímica. Veremos assim como, à medida que a química orgânica se tornava na química dos compostos de carbono, houve necessidade de criar um novo ramo de química que se dedicasse, quer ao estudo dos constituintes e processos do organismo a química fisiológica , quer à interacção de diferentes áreas de investigação (química orgânica, fisiologia e biologia). Foi desta convergência que a bioquímica emergiu, nos finais do século XIX. Seguiremos depois o desenvolvimento das ideias e conceitos de fotossíntese, oxidação, respiração e fermentação, cujo esclarecimento forneceu a base química da função celular; e, ainda, como o estudo destes fenómenos da vida foi retardado, quer pela oposição dos químicos à participação de uma entidade biológica a levedura na química da fermentação, quer pelo esquecimento a que Pasteur votou a química, apesar de ter identificado a função da levedura, perdendo a descoberta das enzimas, força vital da fermentação e ponte de ligação entre a química e a biologia. Foi esta interacção entre as culturas química e biológica que permitiu demonstrar a unidade da natureza em todos os aspectos do crescimento celular e funções das plantas, animais e microorganismos. O nosso objectivo é mostrar os esforços desenvolvidos na explicação dos fenómenos biológicos nos organismos vivos e a permeabilidade da biologia, da medicina e da agricultura a conceitos e métodos químicos. No decorrer destes esforços, houve uma complexa e contínua interacção entre química e biologia, na qual se envolveram muitos cientistas de diferente formação.

Bioquímica da esquistossomose mansônica: V - atividade mitocondrial em fígados e rins de sagüis (Callitrix penicillata) infestados pelo Schistosoma mansoni

Foram estudadas mitocôndrias isoladas de fígados e rins de sagüis (Callitrix penicillata) infestados pela inoculação de 200 cercárias e entre 80 e 100 dias de infecção, nos aspectos relativos às suas atividades respiratórias endógenas, bem como frente ao succinato e ao alfa ceto glutarato de sódio. Cada experiência foi acompanhada de controle, usando-se mitocôndrias isoladas de fígados e rins de animais não infectados. As medidas das atividades respiratórias foram efetuadas polarograficamente e expressas em microlitros de oxigênio consumidos por miligrama de proteínas totais por minuto. Os resultados mostraram que as respirações endógenas das mitocôndrias isoladas dos animais infectados foram sempre maiores do que aquelas observadas nos controles. Detectou-se um estímulo para o fígado de 217% e para o rim de 84%. O succinato de sódio estimulou em 85% a respiração das mitocôndrias dos fígados dos animais controles, enquanto a inibiu de 39% nos infectados. Com referência aos rins, este mesmo substrato estimulou a referida respiração tanto nos controles quanto nos infectados, em 89% e 94% respectivamente. O alfa ceto glutarato estimulou as mitocôndrias hepáticas isoladas dos controles em 48% e as renais em 84%. Nos animais esquistossomóticos ou ele não modificou a capacidade respiratória mitocondrial como se observou para o rim, ou a inibiu de 58%, no caso do fígado. Os dados obtidos sugerem que o fígado sofre muito mais, em termos bioquímicos, com a esquistossomose mansônica do que os rins, pelo menos em nossas condições experimentais. As atividades do sistema enzimático succinato desidrogenase e do complexo alfa ceto glutarato desidrogenase permitiram identificar bioquimicamente, em nossos animais esquistossomóticos, vários graus de lesão celular, principalmente hepáticos, que vão desde os mais simples, decorrentes de modificações da físico-química dos sistemas de membranas, até os mais graves, tipo necrose.

Caracterização bioquímica de soros de bezerros utilizados na manutenção de culturas celulares usadas em virologia

Oito lotes de soros de bezerros com idade maior ou menor de seis meses, usados para suplementar meios de cultivo de linhagens de células de uso difundido em virologia, foram testados quanto à sua capacidade promotora de crescimento (CPC) e classificados como bons promotores ou promotores pobres. Foram pesquisados parâmetros relacionados com macronutrientes para estabelecer o perfil bioquímico daqueles lotes. Os resultados obtidos podem ser considerados valores normais para animais aparentemente sadios. As variações que ocorreram para um mesmo parâmetro bioquímico, entre os resultados da pesquisa e os de alguns estudos existentes na literatura, podem ser atribuídas à metodologia utilizada, à raça e idade dos animais, ou mesmo à própria dieta regional. A análise estatística, realizada pela aplicação do teste "t" de Student aos valores das médias e dos desvios padrão, demonstrou que, com relação às frações séricas, não ocorreram diferenças significantes entre soros de CPC celular boa ou pobre, considerando-se t c=2,45, enquanto que, para soros animais maiores ou menores de seis meses, apenas os resultados relativos às frações alfa e beta (t=2,68 e 2,61, respectivamente) apresentaram significância, sendo superiores ao t crítico. Ficou evidenciado que a avaliação do conjunto de parâmetros bioquímicos pesquisados não permite diferenciar soros pertencentes aos dois grupos de animais, isto é, identificar soros de boa ou de pobre CPC, ou soros de bezerros maiores ou menores de seis meses de idade

Ensino e aprendizagem da Bioquímica em Ciências da Saúde: retenção de conhecimentos adquiridos e sucesso académico versus tipo de exame preferido, sua preparação e stress associado

Num contexto de reestruturação da formação em Ciências da Saúde baseada em competências, torna-se necessário estudar as diferentes formas de avaliação e o stress que lhe está associado, observando de que forma estas poderão interferir no sucesso académico dos alunos e real aquisição de competências. O objectivo do trabalho foi avaliar estas questões no âmbito da Bioquímica de diferentes cursos de Tecnologias da Saúde. A metodologia foi adaptada de controlled pre-test-postest, e os resultados obtidos apontam para que os alunos que mais estudam, ao longo do ano e não no “sprint final”, parecem possuir menor stress e serem melhor sucedidos.

Transglutaminases do mosquito Anopheles gambiae: Caracterização genética, bioquímica e funcional durante a infecção por Plasmodium berghei

A malária constitui um problema de saúde pública, que tem vindo a agravar-se, sendo crescente a necessidade de estratégias renovadas para o seu controlo, como a interrupção do ciclo esporogónico. Deste modo, é essencial compreender as respostas imunológicas de Anopheles anti-Plasmodium. Demonstrou-se anteriormente, que a inibição de transglutaminases, enzimas que participam em vários processos biológicos ao catalisarem a formação de ligações covalentes entre péptidos, agrava a infecção em mosquitos pelo parasita. O presente trabalho tem por objectivo caracterizar as transglutaminases AGAP009098 e AGAP009100 de Anopheles gambiae. Os métodos utilizados para este efeito foram: a sequenciação de regiões dos genes AGAP009098 e AGAP009100; a clonagem molecular de fragmentos da região codificante do gene AGAP009098, usando o vector plasmídico pET–28a(+) e Escherichia coli como sistema de expressão; e PCR em Tempo Real para analisar a expressão relativa dos genes AGAP009098 e AGAP009100 nos diferentes os estádios de desenvolvimento. AGAP009098 é expressa ubiquamente e AGAP009100 a partir do estádio pupa. Estes resultados apontam para a conclusão de que AGAP009098 e AGAP009100 poderão desempenhar funções em processos biológicos relevantes, por exemplo na defesa imunitária, ou no desenvolvimento. Os péptidos recombinantes, obtidos a partir da clonagem com sucesso de fragmentos da região codificante do gene AGAP009098, constituem uma ferramenta importante para averiguar a função destas TGases, no futuro.

Bioquímica da esquistossomose mansônica. VI - alterações do compartimento lisossômlco hepático relacionadas ao tempo de infecção

O Schistosoma mansoni e/ou seus ovos causam uma hepatopatia muito importante e com aspectos anátomo-clínicos bem característicos. Uma vez carregados pela corrente circulatória, os vermes podem ocluir ramos dicotômicos de maior calibre do sistema portal e, quando mortos produzem lesões às vezes extensas, primeiro necróticas, depois inflamatórias e, posteriormente cicatriciais, sempre circunscritas e não sistematizadas. Os ovos, além de penetrarem no's ramúsculos não dicotômicos da rede periductal, alcançam os ramos de distribuição ou até mesmo as vênulas aferentes, ocluin- do muitas delas e, como conseqüência, formam os granulomas intravasculares que podem levar a uma interrupção da corrente sangüínea portal a esse nível e alterações da circulação intralobular. A diminuição da taxa de oxigênio disponível e conseqüentemente o decréscimo do pH intra e extracelular são potentes labilizadores das membranas dos diversos componentes do compartimento lisossômico. A saída de hidrolases ácidas, proteínas catiônicas e hidrolases neutras, a partir desses orgãnulos, acarreta agressões tissulares muito importantes, com o desencadeamento e/ou manutenção dos processos inflamatórios típicos desta parasitose. Neste trabalho estudou-se as atividades lisossômicas ligadas às diversas fases da esquistossomose mansônica hepática. Os resultados indicaram que a integridade funcional dos complexos membranosos do compartimento lisossômico foi significativamente alterada, já a partir do segundo mês da infecção e que parece haver um estreito relacionamento entre o agravamento das lesões inflamatórias hepáticas com uma maior labilidade lisossômica.

Bioquímica da esquistossomose mansônica: envolvimento dos siderossomos nos processos inflamatórios hepáticos

Os processos inflamatórios que se desenvolvem durante as etapas avançadas da esquistossomose mansônica hepática foram relacionados, com o acúmulo de siderossomos, a capacidade dos íons ferrosos/férricos de desencadearem a formação de radicais livres e aperoxidação de lipídios membranáceos, assim como à diminuição da estabilidade das membranas dos diversos componentes do compartimento lisossômico hepático. Os lisossomos isolados de figados de camundongos infectados por 100 cercárias, com 80 e 100 dias de infecção, foram respectivamente, 2,5 e quase 4 vezes mais frágeis que os controles, isolados de figados de camundongos não infectados. A presença de siderossomos em grande quantidade foi demonstrada por espectrometria aos raios-X.

O vírus da hepatite B na doença hepática alcoólica: avaliação clínica e bioquímica

Foram estudados prospectiva e seqüencialmente 107 pacientes com doença hepática alcoólica (DHA) crônica, sendo 83 casos de cirrose e 24de hepatite alcoólica. Além do etilismo, ingestão mínima de 70 gramas de etanol puro ao dia por período superior a sete anos, todos apresentaram disfunção hepatocelular. De acordo com o perfil sorológico para o VHB os pacientes foram alocados em quatro grupos a saber: grupo I infectados: AgHBs e anti-HBc positivos; grupo II imunes: anti-HBs e anti-HBc positivos; grupo III sem marcadores do VHB: AgHBs, anti-HBc e anti-HBs negativos; grupo IV anti-HBc positivo isoladamente. A prevalência de infecção pelo VHB na DHA foi alta: 42,06% apesar dos índices pouco elevados de imunidade: 26,17% sugerindo que na DHA ocorre maior exposição ao VHB com resposta imunológica deficiente. A análise dos parâmetros clínico-bioquímicos, quando considerados isoladamente, não mostrou diferenças estatisticamente significantes entre os grupos I, II, e III, entretanto a classificação de Child/Campbell, discriminou o grupo infectado, onde houve predomínio da classe C, de pior prognóstico.

Transglutaminases de Anopheles gambiae: caracterização molecular, bioquímica e histológica.

A malária é causada por parasitas protozoários do género Plasmodium spp, a sua transmissão aos humanos deve-se à picada infecciosa de mosquitos fêmea do género Anopheles spp, sendo Anopheles gambiae o vector mais eficiente de malária em todo o mundo. O intestino médio do mosquito representa um dos ambientes mais desafiantes à sobrevivência e desenvolvimento do parasita, e é, portanto, também um dos locais mais atraentes para novas estratégias de controlo da malária, pois é onde se observa uma diminuição acentuada na população de parasitas invasores. A transglutaminase (TGM) desempenha um papel importante e diversificado em mamíferos, tais como a coagulação e a formação da barreira epitelial, catalisando o “crosslinking” entre proteínas. Em invertebrados, como Drosophila sp, a proteína TGM mostrou estar envolvida na defesa imunitária. O mosquito A. gambiae tem codificado no seu genoma três TGMs, o gene AGAP009099, já caracterizado, é expresso exclusivamente nas MAGs (glândulas auxiliares masculinas). Os genes AGAP009098 e AGAP009100, cujas funções não foram ainda clarificadas, são expressos ubiquamente e em baixos níveis. No presente trabalho, propõe-se a caracterização das duas proteínas codificadas por estes genes, de forma a identificar o modo como estas proteínas interagem dentro do mosquito, a esclarecer o seu papel na invasão do intestino médio de A. gambiae por Plasmodium spp., o que permitirá averiguar o seu envolvimento ao nível da imunidade inata do mosquito. Foi produzida e purificada a proteína recombinante AgTGM98-1, que se utilizou para a produção de um anticorpo anti-AgTGM98. A atividade de TGM no mosquito não se mostrou estatisticamente significativa entre os estadios larvares, pupas e adultos. A caracterização bioquímica de AgTGM98 e AgTGM100 revelou a possível existência de proteínas do tipo TGM. Através de western blotting, verificou-se uma diminuição de AgTGM98, comparando mosquitos não infetados com infetados por P. berghei, o que sugere alterações na expressão desta proteína face à invasão pelo parasita, o que pode significar o seu envolvimento direto na infeção. Caracterizou-se, por imunohistoquímica (IHC) a localização de AgTGM98 e AgTGM100 em intestinos médios de mosquitos. A proteína AgTGM98 apresentou uma localização membranar, na parte basal do intestino médio e com distribuição ao longo deste. Contrariamente, a AgTGM100 tem uma localização intracelular e uma distribuição presente apenas no proventrículo e zona mais apical do intestino médio durante uma fase da sua existência, sendo com o passar do tempo detectada em todo o intestino médio.

Estudo comparativo entre estibogluconato de sódio BP 88® e antimoniato de meglumina no tratamento da leishmaniose cutânea II. Toxicidade bioquímica e cardíaca

Foi avaliada a toxicidade de dois antimoniais pentavalentes em 111 pacientes com leishmaniose cutânea. Quarenta e sete pacientes receberam antimoniato de meglumina (Grupo I) e 64 pacientes, estibogluconato de sódio BP 88® (Grupo II), 20mg SbV/kg/dia por 20 dias. Realizou-se a avaliação de aminotransferases, fosfatase alcalina, amilase, creatinina, uréia, exame de urina e eletrocardiograma, antes do tratamento e no décimo e vigésimo dias. Observou-se maior freqüência de valores anormais de aminotransferases no décimo e vigésimo dias de tratamento no grupo II (p < 0,001) e maior proporção de valores anormais de amilase no décimo dia no mesmo grupo (p < 0,001). Houve maior variação dos níveis de aminotransferases, fosfatase alcalina e amilase nos primeiros dez dias no grupo II (p < 0,01). No vigésimo dia observou-se maior variação nos níveis de aminotransferases no grupo II (p = 0,02 e p = 0,03, respectivamente). Quarenta e três porcento dos pacientes do grupo I e 54% dos pacientes do grupo II apresentaram alterações eletrocardiográficas (p = 0,30).