Desenvolvimento de funções empíricas quântico-clássicas para a predição da afinidade proteína-ligante - Borsato, Nicolau Gonçalves (2020)
Atracamento Molecular é uma metodologia amplamente utilizada no contexto do Desenho de Fármacos Baseado em Estrutura (SBDD, do inglês Structure-Based Drug Design) e possui dois objetivos principais: (i) predição da pose (i.e., prever os modos de ligação) e (ii) predição da afinidade de ligação de uma pequena molécula no sítio receptor de um alvo selecionado. É uma abordagem amplamente utilizada em estudos de triagem virtual visando a identificação e a otimização de compostos protótipos e líderes (possíveis futuros candidatos a fármacos). Para a execução desses objetivos, principalmente o objetivo (ii), é necessário o uso de funções de avaliação acuradas. Atualmente, as funções de avaliação possuem bom desempenho em identificar os modos de ligação, entretanto a predição acurada da afinidade de ligação, o ranqueamento em experimentos de triagem virtual e a classificação dos ligantes como ativos e inativos constituem grandes desafios. Recentemente, foram desenvolvidas no nosso grupo funções empíricas (DockTScore) para a predição da afinidade de ligação proteína-ligante. Estas funções são baseada no campo de força clássico MMFF94S e descritores associados a caraterísticas físico-químicas da ligação proteína-ligante. Estas funções foram incorporadas ao programa e portal web DockThor- VS (https://www.dockthor.lncc.br). As funções desenvolvidas se mostraram bastante competitivas com as demais funções descritas na literatura, mas ainda necessitam de melhorias importantes , principalmente na predição de afinidades proteína-ligante mais fortes (i.e., Ki < 45 nM). Uma hipótese é que complexos exibindo afinidades fortes estejam associados com interações específicas (e.g., ligação de halogênios, polarização, interações com metais, pi e T- stacking etc) que dificilmente seriam bem descritas utilizando-se um campo de força clássico e necessitam de serem avaliadas através de cálculos quânticos de estrutura eletrônica ou cálculos híbridos QM/MM. Neste trabalho, foi desenvolvido um protocolo de preparação e avaliação de complexos proteína-ligante através de cálculos QM/MM, utilizando os programas NAMD e MOPAC, com o objetivo de se desenvolver uma função empírica híbrida clássico-quântica. Também são objetivos deste trabalho: (i) identificar quais os melhores descritores clássicos da função DockTScore a serem utilizados com a energia de interação proteína-ligante calculada através de um método híbrido QM/MM; e (ii) comparar resultados obtidos com as hamiltonianas semi-empíricas PM7 e PM6D3H4X. As Ffunções empíricas lineares foram desenvolvidas utilizando-se o conjunto "PDBbind v2013 refined set"contendo originalmente 2764 complexos proteína-ligante. O conjunto “core-set” contendo 195 complexos foi utilizado como teste independente e os resultados comparados com os obtidos pela função DockTScore Para a realização deste trabalho, foi necessário o desenvolvimento de protocolo automatizado para determinar as topologias para o reconhecimento de protonações específicas de resíduos de aminoácidos (i.e., ASP e GLU). Foram investigados e comparados protocolos com e sem minimização de energia QM/MM dos complexos. O protocolo de minimização selecionado consiste em uma minimização de energia, utilizando um raio de corte QM de 5 Å, de 1000 passos do algoritmo Gradiente Conjugado. Após a etapa de otimização, a energia de interação proteína-ligante é obtida de cálculos “single-point” utilizando um raio de corte QM de 15 Å. Os resultados obtidos mostram que as energias de interação obtidas de cálculos quânticos correlacionam melhor com os dados de afinidade (∆G) obtidos experimentalmente do que aquelas obtidas com um campo de força clássico. Também indicam que a utilização de um processo de minimização de energia pode ser bastante útil para obter melhores correlações, principalmente quando envolvem interações do tipo ligação de halogênio e com cofatores metálicos.