Determinantes moleculares de la interacción droga-proteína : uso de cosolventes como moléculas de prueba - Arcón, Juan Pablo (2018)
Uno de los procesos biológicos más importantes a nivel molecular es la formación de complejos proteína-ligando. Determinar la estructura de estos sistemas y las interacciones clave subyacentes resulta no sólo relevante per se, sino que posee aplicaciones directas en los esquemas de descubrimiento de fármacos. En este contexto, las simulaciones de dinámica molecular en presencia de solventes mixtos pueden utilizarse para estudiar sitios activos o de unión en proteínas. Los solventes mixtos consisten en mezclas acuosas de pequeñas moléculas orgánicas (cosolventes) con grupos funcionales que reproducen distintos tipos de interacciones moleculares específicas observadas en ligandos de mayor tamaño. De este modo, y gracias a su competencia con las moléculas de agua para unirse a la superficie proteica, los cosolventes actúan como sondas o moléculas de prueba que resultan útiles para revelar sitios de interacción proteína-ligando importantes (hot spots). En el presente trabajo de tesis realizamos simulaciones de dinámica molecular de 18 proteínas diferentes usando como solvente mezclas acuosas de etanol, acetamida, acetonitrilo y acetato de metilamonio, además de agua pura. Para cada sistema se determinaron los sitios de solvente correspondientes, definidos como regiones del espacio adyacentes a la superficie proteica donde la probabilidad de hallar un átomo de prueba de solvente es mayor que la de encontrarlo en el seno del solvente. Se realizó entonces una comparación sistemática entre los sitios identificados para las diferentes moléculas de prueba y 121 complejos proteína-ligando con estructura conocida. Se analizó estadísticamente la capacidad de los diferentes sitios de solvente para revelar las interacciones proteína-ligando de estos complejos, especialmente aquellas que resultan determinantes para la unión y constituyen el farmacóforo derivado de ligando. La sensibilidad obtenida para los sitios de agua y la especificidad y precisión de la sonda de etanol resultaron puntos salientes de este análisis. Por otro lado, los sitios de solvente fueron caracterizados termodinámicamente. Dicha información, especialmente la ocupancia (energía libre de unión) y la dispersión (entropía traslacional) de los sitios, fue traducida para generar puntos farmacofóricos derivados de los cosolventes. La especificidad mostrada por el etanol para reproducir interacciones proteína-ligando lo posiciona como una excelente sonda para usar como sesgo farmacofórico en experimentos de docking. Por ende, se aplicó el sesgo derivado de los sitios de etanol para la predicción estructural de complejos proteína-ligando y la evaluación retrospectiva del desempeño en campañas de screening virtual de inhibidores. El método sesgado mostró éxito en la predicción del modo de unión de ligandos, tanto en experimentos de self docking como de cross docking, y se lograron incrementos significativos en el enriquecimiento de ligandos activos según su afinidad relativa al evaluar el desempeño en screening virtual. Finalmente, se obtuvieron estimaciones de energía libre de unión de complejos proteína-ligando con estructura conocida sumando las contribuciones de energía libre de los sitios de solvente que son reemplazados por grupos de ligando capaces de establecer el mismo tipo de interacciones. Las correlaciones entre la energía libre de unión predicha y experimental resultaron altas y, de modo más amplio, se lograron discriminar exitosamente ligandos similares según la afinidad relativa predicha. En conclusión, el trabajo de tesis presenta un método desarrollado y validado que permite aplicar de modo directo y simple la técnica de dinámica molecular en solventes mixtos como herramienta para el descubrimiento de drogas basado en estructura.