Acesso à flexibilidade molecular de ligantes como estratégia de prospecção de interações fármaco-receptor

Abstract

O desenvolvimento de novos fármacos é um processo de múltiplas etapas e dispendioso em termos de custo e tempo. Nesse contexto, métodos computacionais são frequentemente empregados para interpretar e guiar ensaios experimentais no intuito de diminuir custos e acelerar o desenvolvimento. Nas etapas iniciais, a otimização de compostos-líderes geralmente inclui o uso de métodos de SAR e QSAR para melhor compreensão da relação entre estrutura e atividade biológica de interesse, baseando-se em propriedades físicoquímicas de ligantes. Contudo, grupos funcionais estatisticamente correlacionados à atividade por SAR ou QSAR podem ser pouco acessíveis à interação com o receptor-alvo. Contornar estas limitações acessando a dinâmica de ligantes em solução constitui-se, contudo, num desafio considerando a dificuldade de obtenção de dados experimentais de resolução atomística em solução ou da disponibilidade de parâmetros de mecânica clássica de alta qualidade para modelos computacionais. Assim, a presente tese busca contribuir na abordagem destas questões através do desenvolvimento, validação e aplicação de: 1) abordagem de parametrização de ligantes em larga escala com foco em soluções biológicas; 2) metodologia de amostragem conformacional e análise de populações conformacionais de ligantes com perspectivas de automatização; 3) avaliação da propensão de interações receptor-ligante de grupos funcionais em solução aquosa. Para responder essas questões, uma metodologia de parametrização baseada na filosofia GROMOS foi desenvolvida, validada e aplicada para geração de topologias de ligantes, as quais foram submetidas à simulações de dinâmica molecular em solvente explícito para obtenção do seus conjuntos conformacionais. O intuito de caracterizar populações conformacionais de forma sistemática levou ao desenvolvimento de uma ferramenta computacional que permite a identificação dos conformeros e de suas abundâncias relativas. Ainda, a metodologia analítica proposta nesta tese foi aplicada a um caso de estudo, proporcionando inferências sobre os mecanismos de reconhecimento molecular (seleção ou indução conformacional). Combinados, os resultados apresentados nessa tese oferecem bases para análise sistemática da dinâmica conformacional de ligantes livres e do papel desempenhado pela presença explícita de solvente, além de permitir inferências sobre a dinâmica de formação de complexos receptor-ligante, o que pode ser utilizado como metodologias de análise no desenvolvimento de novos fármacos.

The development of new drugs is a multi-step process, which is expensive in terms of cost and time. In this context, computational methods are often used to interpret and guide experimental trials in order to save costs and accelerate the development. In the initial stages, the optimization of lead compounds generally includes the use of SAR and QSAR methods for a better understanding of the relationship between structure and biological activity of interest, which are based on physicochemical properties of ligands. However, functional groups statistically correlated to SAR or QSAR activity may be unaccessible to interactions with the target receptor. To overcome these limitations by accessing the dynamics of ligands in solution is, however, a challenge considering the difficulty of obtaining experimental data at atomistic resolution in solution or the availability of molecular mechanics parameters of high quality for computational models. Thus, the present thesis aims to contribute to the approach of these issues through the development, validation and application of: 1) large scale parametrization protocol for ligands focused on biological solutions; 2) conformational sampling methodology and analysis of conformational populations of ligands with automation perspectives; 3) evaluation of the predisposition of receptor-ligand interactions of functional groups in aqueous solution. To answer these questions, a parameterization methodology based on the GROMOS philosophy was developed, validated and applied for the generation of ligand topologies, which were submitted to molecular dynamics simulations in an explicit solvent to obtain their conformational sets. The aim of characterizing conformational populations in a systematic way led to the development of a computational tool that allows the identification of ligands conformers and their relative abundances. Moreover, the analytical methodology proposed in this thesis was applied to a case study, providing inferences regarding the mechanisms of molecular recognition (selection or conformational induction). Combined, the results presented in this thesis provide a basis for systematic analysis of the conformational dynamics of free ligands in solution and the role played by the explicit presence of solvent, in addition to allowing inferences about the dynamics of formation of receptor-ligand complexes, which can be used as methodologies of analysis in the development of new drugs.