CuT-REMD: uma nova abordagem para predição de estruturas terciárias de proteínas baseada em raio de corte incremental

Abstract

Dentre os principais métodos computacionais aplicados atualmente ao estudo de proteínas, a dinâmica molecular clássica realiza importante papel, especialmente sua variação intitulada Replica Exchange Molecular Dynamics ou REMD, a qual provê amostragem conformacional eficiente. Elementos de Estruturas Secundárias (EES) regulares de proteínas são formados e mantidos através de estabilização por ligações de hidrogênio dentro de hélices e entre fitas de uma folha . O empacotamento desses elementos estruturais, permitido por voltas e laços flexíveis conectando-os, leva à formação de uma estrutura que, nos casos bem sucedidos, representa o estado nativo, funcional de uma proteína. Interações iônicas, dipolo-dipolo, de van der Waals e hidrofóbicas, além de ligações de hidrogênio, são fundamentais para esses eventos. A maioria dessas forças é mais forte até uma distância de 4,0 Å. Assim, essas (de 0,0 Å a 4,0 Å) são as distâncias envolvidas na formação de estruturas locais, que podem ainda se propagar e formar elementos inteiros de estrutura secundária. A prática comum ao se executar simulações por DM é, no entanto, manter um raio de corte fixo em valores maiores ou iguais a 8,0 Å. Esta tese apresenta o método CuTREMD, uma nova abordagem de REMD com base em raio de corte incremental (variando de 4,0 Å a 8,0 Å) testando a hipótese de que tal abordagem pode otimizar a predição de estruturas terciárias de proteínas. Primeiramente, foi utilizada a proteína villin headpiece humana (código PDB 1UNC), como estudo de caso, e nove diferentes protocolos de simulação foram testados, todos em triplicata. Posteriormente, com base nos resultados obtidos, um protocolo-padrão foi escolhido como protocolo CuT-REMD, e um conjunto de nove proteínas adicionais foi testado, sendo os resultados comparados com o método REMD convencional.A utilização de raio de corte incremental provou-se uma abordagem eficaz para melhorar a qualidade e velocidade das predições de estruturas de proteínas via REMD. Aplicando o método ao conjunto teste de proteínas, embora de tamanho limitado, CuT-REMD mostrou bom desempenho em relação aos métodos ab initio, colocando-se na grande maioria das vezes ou como o melhor método de predição ou com resultados próximos aos melhores métodos. Isso possibilitou compará-lo também com métodos de novo e, embora com mais dificuldade, CuT-REMD manteve bom desempenho, inclusive superando certos servidores em todas as ocasiões. Os resultados obtidos, em suma, mostram-se encorajadores, com o surgimento de novos questionamentos a serem abordados futuramente.

Among the main computational techniques currently applied to study proteins, classical molecular dynamics plays a important hole, specially its variation called replica exchange molecular dynamics or REMD, which provides efficient conformational sampling. Regular secondary structures elements of proteins are formed and maintained via stabilization by hydrogen bonds within helices and between strands of a -sheet. Packing of these structural elements, allowed by flexible turns and loops connecting them, leads to the formation of a structure that, in the successful cases, represents the native, functional state of a protein. Ionic, dipole, van der Waals, hydrophobic interactions, and hydrogen bonding are fundamental to these events. Most of these forces are strong up to a distance of 4.0 Å. Hence, these are the distances involved in the formation of local structural nubs that can further propagate and form whole elements of secondary structure. The common practice while simulating is, however, to keep fixed the cutoff at values higher or equal to 8.0 Å. Here a novel replica exchange molecular dynamics approach based on running cutoffs (varying from 4.0 Å to 8.0 Å) to enhance protein structure prediction is presented. We first proved the method as a reproducible one, as well as following a Boltzmann distribution and sampling different structures of conventional REMD. The human villin headpiece protein (PDB ID: 1UNC) was used as case study. We tested 9 different simulation protocols, in triplicate, and proved the use of incremental cutoff as an effective approach to enhance the quality and speed of protein structure predictions via replica exchange molecular dynamics. Applying the method to the protein test set, although of limited size, CuT-REMD showed good performance against the ab initio methods, most of the time being either as the best prediction method or with close results to the best ones.This made it possible to also compare CuT-REMD with de novo methods. Despite the difficulties, CuT-REMD maintained a good performance even surpassing certain servers for all tested proteins. The results obtained are encouraging, with the emergence of new questions to be addressed in the future.