Investigação de afinidade entre proteínas da família CBM e carboidratos por métodos de dinâmica molecular e metadinâmica de funil

Abstract

Os módulos de ligação a carboidratos (CBMs) são domínios proteicos responsáveis por se ligar a carboidratos, aumentando a eficiência enzimática ao direcionar os substratos para os sítios catalíticos. Apesar de sua diversidade estrutural, os CBMs frequentemente apresentam um enovelamento em β-sanduíche e interagem com carboidratos por meio de resíduos aromáticos, facilitando afinidade e especificidade. Essas características, juntamente com suas aplicações em áreas como biocombustíveis e biomateriais, tornam os CBMs um potencial foco de pesquisa. Entretanto, a disponibilidade limitada de estruturas experimentais em comparação às sequências conhecidas dificulta uma compreensão abrangente das interações CBM-carboidrato. Neste estudo, a Metadinâmica em Funil (MF), uma abordagem ampliada de dinâmica molecular (MD), foi aplicada para caracterizar as interações entre CBMs e carboidratos. A MF restringe a dissociação do ligante dentro de um potencial em formato de funil, permitindo cálculos aproximados da energia livre de ligação (∆G). Dados experimentais do Protein Carbohydrate Complex Binding Affinity Database (ProCaff) foram utilizados como referência. Os resultados demonstraram que a MF alcança um grau de precisão condizente com a literatura, com discrepâncias de ∆G dentro do limite descrito na literatura de 1,5 kcal/mol em relação aos valores experimentais. Esses achados corroboram a aplicação da MF no estudo de interações CBM-carboidrato, fornecendo insights sobre os mecanismos de ligação.

Carbohydrate-binding modules (CBMs) are protein domains responsible for binding carbohydrates, enhancing enzymatic efficiency by guiding substrates to catalytic sites. Despite their structural diversity, CBMs often exhibit a β-sandwich fold and interact with carbohydrates through aromatic residues, facilitating affinity and specificity. These features, along with their applications in areas such as biofuels and biomaterials, make CBMs a promising focus of research. However, the limited availability of experimental structures compared to known sequences hinders a comprehensive understanding of CBM-carbohydrate interactions. In this study, Funnel Metadynamics (FM), a molecular dynamics (MD) approach, was applied to characterize the interactions between CBMs and carbohydrates. FM restricts ligand dissociation within a funnel-shaped potential, enabling accurate calculations of binding free energy (∆G). Experimental data from the Protein-Carbohydrate Complex Binding Affinity Database (ProCaff) were used as benchmarks. The results demonstrated that FM achieves a level of precision consistent with the literature, with discrepancies in ∆G within 1.5 kcal/mol of experimental values. These findings validate the application of FM in studying CBM-carbohydrate interactions, providing insights into binding mechanisms.