| Abstract: | Molecular docking is one of the main stages of Rational Drug Design (RDD). This is a method that provides a better orientation and conformation in which a molecule will bind to another to form a stable complex. Most docking algorithms consider flexible ligands, due to their usually small size. On the other hand, because the receptor is generally a molecule consisting of a larger number of atoms, it is treated as rigid. However, protein molecules are naturally flexible, and to consider such flexibility throughout the docking process is still not an easy task. The motivation for developing this work came from the need to perform molecular docking simulations in a more realistic manner, considering the dynamics and plasticity of a receptor molecule. Among the various ways to consider the receptor flexibility, our approach was to use a molecular dynamics simulation (MD) to generate the different conformations of the receptor. In this study we have investigated the effect of the explicit flexibility of the InhA enzyme of Mycobacterium tuberculosis by performing molecular docking simulations in each of the different conformations of the enzyme (wild-type, and I16T and I21V mutants), produced by MD, with the inhibitors ethionamide (ETH), triclosan (TCL) and isoniazid-pentacyanoferrate II (PIF).With the flexible model of the receptor, the experiments produced a series of snapshots of InhA inhibitors used in this study, showing different modes of ligand binding, which could not be evaluated using a single conformation of the crystal structure (PDB ID: 1ENY). Our analysis showed that for the InhA-ETH complex, only 5 residues interacted with the ligand in the crystal structure, whereas 80 residues along the trajectory made contacts with the ETH in the flexible model. Similarly, for the InhA-TCL complex only 2 residues of the crystal structure interacted with the ligand, while in the flexible receptor model, we found 46 residues interacting with the TCL. Finally, for the complex InhA-PIF, we found that 2 residues of the receptor interacted with the ligand in the crystal structure, and on the other hand, 35 residues interacted with PIF in the flexible model. This suggests that the flexible receptor model can accommodate a more diverse set of conformations of the ligand. When considering the plasticity of the receptor to perform a docking simulation, it means that the amino acid residues, loops and turns of the receptor can move slightly in different directions, allowing the ligand to explore spaces in the binding site that would have not been possible before. We believe that this work is helping to build knowlege of the importance of receptor flexibility in molecular docking process, and paves the way for further investigation.
A docagem molecular é uma das principais etapas do processo de Rational Drug Design (RDD). Este é um método que prevê a melhor orientação e conformação na qual uma molécula se ligará à outra, de modo a formar um complexo estável. Os algoritmos de docagem atuais consideram o ligante flexível, devido ao seu tamanho geralmente pequeno. Já o receptor, por ser uma molécula composta por um número maior de átomos, é tratado como rígido. Porém, proteínas são moléculas naturalmente flexíveis, e considerar esta flexibilidade durante um processo de docagem ainda não é uma tarefa fácil. A motivação para desenvolver este trabalho surgiu da necessidade de realizar simulações de docagem molecular mais realísticas, que considerem a dinâmica e a plasticidade de uma molécula receptora. Dentre as diversas formas de considerar a flexibilidade do receptor, usamos uma simulação de dinâmica molecular (DM) para gerar as diferentes conformações do receptor. Investigamos o efeito da flexibilidade explícita da enzima InhA de Mycobacterium tuberculosis através da realização de simulações de docagem molecular em cada uma das diferentes conformações da mesma (tipo selvagem e mutantes I16T e I21V) obtidas por DM, com os inibidores etionamida (ETH), triclosan (TCL) e isoniazidapentacianoferrato II (PIF). Com o modelo flexível do receptor, os experimentos produziram um conjunto de snapshots dos inibidores da InhA utilizados neste estudo, mostrando diferentes modos de ligação do ligante, que não poderiam ser avaliados com base em uma única conformação da estrutura cristalina (PDB ID: 1ENY). Nossa análise revelou que para o complexo InhA-ETH, apenas 5 resíduos interagiram com o ligante, na estrutura cristalina, enquanto que 80 resíduos ao longo da trajetória fizeram contatos com a ETH no modelo flexível. Para o complexo InhATCL apenas 2 resíduos da estrutura cristalina interagem com o ligante, e no modelo de receptor flexível, encontramos 46 resíduos interagindo com o TCL. Finalmente, para o complexo InhAPIF, verificamos que 2 resíduos do receptor interagiram com o ligante na estrutura cristalina, enquanto que para o modelo flexível encontramos 35 resíduos interagindo com PIF. Isto sugere que o modelo de receptor flexível pode acomodar um conjunto mais diversificado de conformações do ligante. Considerar a plasticidade do receptor ao realizarmos uma simulação de docagem significa que os resíduos de aminoácidos, alças e voltas do receptor, podem mover-se ligeiramente em diferentes direções permitindo que o ligante possa então explorar espaços no sítio de ligação que antes não seria possível. Acreditamos que este trabalho está ajudando a construir o conhecimento sobre a importância da flexibilidade do receptor no processo de docagem molecular, e possibilita uma investigação mais aprofundada no futuro. |
