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Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Date post: 11-Feb-2017
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Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche Alejandro Giorgetti Dip. di Biotecnologie Università di Verona, Verona Italy German Research School for Simulations Scienes (GRS) Julich, Germany e-mail: [email protected]
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Page 1: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Dinamica Molecolare:

Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Alejandro GiorgettiDip. di Biotecnologie

Università di Verona, Verona Italy

German Research School for Simulations Scienes(GRS) Julich, Germany

e-mail: [email protected]

Page 2: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Small molecules control a myriad of cellular functions by binding to their target macromolecules: ligands govern processes such as growth, programmed cell death, sensing, and metabolism. This key event triggers triggers complex cellular pathwayscomplex cellular pathways characterized by reactions, environmental changes, intermolecular interactions, and allosteric modificationsUltimately, understanding the molecular basis of ligand-target interactions requires the integration of biological complexes into cellular pathways: ““systems biologysystems biology””All of these processes involve molecular recognitionAll of these processes involve molecular recognitionNonmolecular modeling, which is advancing tremendously our understanding needs to be paralleledneeds to be paralleled by a quantitative molecularmolecular description of pathways

Molecular system-level understandingMolecular system-level understanding

Page 3: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Computational molecular biology methodsComputational molecular biology methods

The first strategy, the so-called protein bioinformaticsprotein bioinformatics, is aimed at the development of computational tools that enable to decipher the information encoded in the protein sequences, thus enabling the prediction of structure and function

The second strategy is based on the laws of physics. One of the most important methods here is molecular dynamicsmolecular dynamics (MD) , which predicts structural, dynamical, and energetic (bio)molecular properties based on Newton laws of motion.

Page 4: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

L’utilizzo di tecniche computazionali nella moderna

ricerca biomedica e farmaceutica permette di svolgere

in silico una serie di analisi grazie alle quali i

ricercatori, nelle fasi di progettazione di un nuovo

farmaco, potrebbero risparmiare grandi risorse di

tempo e denaro in esperimenti chimici e biologici

Page 5: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

A Digital Laboratory

“In the real world, this could eventually mean that most chemical experiments are conducted inside the silicon of chips instead of the glassware of laboratories. Turn off that Bunsen burner; it will not be wanted in ten years.”

- The Economist, reporting on the work of the 1998 Chemistry Nobel Prize Awardees

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A Different Type of Simulation

● Many Physically-Based Simulations model easily observable real world phenomena.

● Molecular Dynamics Simulations model things too small for us to observe directly.

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Why we do s i mul a t i on replace experiment

provoke experiment

explain experiment

aid in establishing intellectual property

In s o m e c a s e s , e x pe rim e nt is :

Blind Some properties cannot be observed on very short time-scales and very small space-scales

Page 8: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Wha t is Mo le c ula r Mo de ling ?

Molecular Modeling is concerned with the description of the atomic and molecular interactions that govern m ic ro s c o p ic and m a c ro s c o p ic behaviors of physical systems

Wha t is it g o o d fo r?The essence of molecular modeling resides in the connection between

the m a c ro s c o p ic world and the m ic ro s c o p ic world provided by the theory of statistical mechanics

Macroscopic observable (Solvation energy, affinity between two proteins, H-H distance, Conformation, ... )

Average of observable over selected microscopic states

Page 9: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Computational Tools

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Types of phenomena

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Timescale limitations✗Protein Folding - milliseconds/seconds (10-3-1s)✗Ligand Binding - micro/milliseconds (10-6-10-3 s)✗Enzyme catalysis - micro/milliseconds (10-6-10-3 s)✗Conformational transitions - pico/nanoseconds (10-12-10-9 s)✗Collective vibrations -1 picosecond (10-12 s)✗Bond vibrations - 1 femtosecond (10-15 s)

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• Modeling the motion of a complex molecule by solving the wave functions of the various subatomic particles would be accurate…

• But it would also be very hard to program and take more computing power than anyone has!

Why Not Quantum Mechanics?

),,(),,(),,(2

22

zyxEzyxzyxUm

Ψ=Ψ+Ψ∇−

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Classical Mechanics

● Instead of using Quantum mechanics, we can use classical Newtonian mechanics to model our system.

● This is a simplification of what is actually going on, and is therefore less accurate.

● To alleviate this problem, we use numbers derived from QM for the constants in our classical equations.

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Molecular Modeling

For each atom in every molecule, we need:● Position (r)● Momentum (m + v)● Charge (q)● Bond information (which atoms, bond angles, etc.)

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From Potential to Movement

To run the simulation, we need the force on each particle.

We use the gradient of the potential energy function.

Now we can find the acceleration.

iii amF =

VF ii − ∇=

2

2

dtrdm

drdV i

ii

=−

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What is the Potential?

A single atom will be affected by the potential energy functions of every atom in the system:

● Bonded Neighbors● Non-Bonded Atoms (either other atoms in the

same molecule, or atoms from different molecules)

bondednonbonded EERV −+=)(

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Non-Bonded Atoms

There are two potential functions we need to be concerned about between non-bonded atoms:

● van der Waals Potential● Electrostatic Potential

ticelectrostaWaalsdervanbondednon EEE += −−−

Page 18: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

The van der Waals Potential

● Atoms with no net electrostatic charge will still tend to attract each other at short distances, as long as they don’t get too close.

● Once the atoms are close enough to have overlapping electron clouds, they will repel each other with astounding force

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The van der Waals Potential

One of the most widely used functions for the van der Waals potential is the Lennard-Jones. It is a compromise between accuracy and computability.

−=−

pairsnonbonded ik

ik

ik

ikJonesLennard r

CrAE 612

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The van der Waals Potential

The Constants A and C depend on the atom types, and are derived from experimental data.

pairsnonbonded ik

ik

ik

ik

rC

rA

612

Page 21: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

The Electrostatic Potential

● Opposite Charges Attract● Like Charges Repel● The force of the attraction is inversely

proportional to the square of the distance

∑=pairsnonbonded ik

kiticelectrosta Dr

qqE

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Coulomb’s Law

20

21

4 rqqF

π ε=

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The Non-Bonded Potential

Combine the LJ and Electrostatic Potentials

ticelectrostaWaalsdervanbondednon EEE += −−−

Page 24: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Bonded Atoms

There are three types of interaction between bonded atoms:

• Stretching along the bond• Bending between bonds• Rotating around bonds

bondalongrotatebendanglestretchbondbonded EEEE −−−− ++=

Page 25: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Bond Length Potentials

Both the spring constant and the ideal bond length are dependent on the atoms involved.

∑ −=−pairs

bstretchbond bbKE2,1

20 )(

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Bond Angle Potentials

The spring constant and the ideal angle are also dependent on the chemical type of the atoms.

∑ −=−angles

bendbond KE 20 )( θθθ

Page 27: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Torsional Potentials

Described by a dihedral angle and coefficient of symmetry (n=1,2,3), around the middle bond.

∑ −=−−pairs

bondalongrotate nKE4,1

))cos(1( φφ

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Integration Algorithms

● Forces like the LJ potential have powers of 12, which would make Euler horribly unstable (even worse than usual)

● RK and Midpoint algorithms would seem to help● However, force calculations are extremely

expensive, and RK and Midpoint require multiple force calculations per timestep

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Integration Algorithms

● Using RK is justifiable in other circumstances, because it allows you to take larger timesteps (two force calculations allowing you to more than double the timestep)

● This is normally not achievable in MD simulations, because the forces are very rapidly changing non-linear functions.

● We need an algorithm with the stability benefits of RK without the cost of extra force calculations!

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From Potential to Movement

To run the simulation, we need the force on each particle.

We use the gradient of the potential energy function.

Now we can find the acceleration.

iii amF =

VF ii − ∇=

2

2

dtrdm

drdV i

ii

=−

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• First, take a third-order Taylor step:

• Now take a step backward:

Verlet Algorithm

)()(!3

1)(21)()(

)(

432 tOttrttattvtr

ttr

∆+∆+∆+∆+

=∆+

)()(!3

1)(21)()(

)(

432 tOttrttattvtr

ttr

∆+∆−∆+∆−

=∆−

We divide the temporal interval [0,T] in small delta T intervals....so we can expand the position using the Taylor series in both directions around r.

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Verlet Algorithm

● When adding the two formulas, the first and third derivatives cancel out:

● And we can express the next timestep in terms of the previous position and the current acceleration:

)()()(2)()( 42 tOttatrttrttr ∆+∆+=∆−+∆+

)()()()(2)( 42 tOttattrtrttr ∆+∆+∆−−=∆+

We divide

Page 33: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Verlet Algorithm

Pros:● Simple & Effective● Low Memory & CPU Requirements (don’t need to store

velocities or perform multiple force calculations)● Time Reversible● Very stable even with large numbers of interacting

particles

Cons:● Not as accurate as RK● We never calculate velocities!

(when would we need them?)

Page 34: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Obtaining Velocities

● We can estimate the velocities using a finite difference:

● This has a second order error, while our algorithm has a fourth order error

● There are variations of the Verlet algorithm, such as the leapfrog algorithm, which seek to improve velocity estimations.

)()]()([21)( 2tOttrttr

ttv ∆+∆−−∆+

∆=

Page 35: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Molecules in Solution

• In real situations, a molecule is rarely isolated. In biological systems, proteins, RNA, and DNA are immersed in a sea of water molecules

• To accurately portray the effect of the solvent molecules on a system, the solvent molecules must be free flowing

• How do we establish computational boundaries while keeping a realistic solvent simulation?

Page 36: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Periodic Boundary Conditions

• Simulate a segment of molecules in a larger solution by having repeatable regions

• Potential calculations are run only on each atom’s closest counterpart in the 27 cubes

• When an atom moves off the edge, it reappears on the other side (like in asteroids)

Page 37: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Cutoff Methods

● Ideally, every atom should interact with every other atom

● This creates a force calculation algorithm of quadratic order

● We may be able to ignore atoms at large distances from each other without suffering too much loss of accuracy

Page 38: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Cutoff Methods

● Truncation – cuts off calculation at a predefined distance

● Shift – alters the entire function as to be zero at the cutoff distance

● Switch – begins tapering to zero as the function approaches the cutoff distance

Page 39: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Thermodynamic ensembles

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Bo l z mann ( c ano ni c al ) d i s t r i but i o n

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The partition function

Page 42: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

The ensemble average

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Ergodic hypothesis

Page 44: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Sampling of various ensembles

Page 45: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

- FABP : proteine coinvolte in malattie come: la dislipidemia, l'obesità, la resistenza all'insulina e il diabete di tipo-2, che sono causa di gravi sindromi cardiovascolari e mortalità.

- GCSF : una proteina utilizzata per trattare la neutropenia, malattia caratterizzata da concentrazioni molto basse di neutrofili in sangue.

Argomenti

Page 46: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

I lipidi sono i componenti vitali di molti processi biologici e sono cruciali nella patogenesi di certe malattie: dislipidemia, l'obesità, la resistenza all'insulina e il diabete di tipo-2

Ruolo giocato dai chaperoni (proteine di trasporto) lipidici, le proteine che legano gli acidi grassi (FABPs) - nei processi biologici da essi mediati e nell'omeostasi metabolica sistemica attraverso la regolazione dei diversi segnali lipidici, e di evidenziare il loro significato terapeutico.

- partecipano in modo attivo al trasporto dei lipidi verso compartimenti specifici nella cellula.

- La FABP epatica (L-FABP) e ileale (Il-FABP o Il-BABP) possono svolgere un ruolo importante e poco studiato nel controllo lipidico.

FABPs

Page 47: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

- nuova ipotesi sul meccanismo d'azione di queste proteine che agiscono come interruttori molecolari attivati in modo allosterico da molecole lipidiche e/o da membrane per la regolazione del trafficolipidico.

Pedò et al. JMB. 2009

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- Studio dell'interazione della proteina apo con la membrana.

Villareal et al. 2008

Page 49: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Long et al. 2009

- Dinamiche dell'entrata ed

uscita dei ligandi

(Accelerated MD simulations)

Page 50: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

- Questa ipotesi cambia completamente le prospettive degli interventi terapeutici, indirizzandoli verso sistemi capaci di intervenire nella modulazione dell'interazione proteina-membrana

Potenziale elettrostatico: proteina Holo (con ligando)

Potenziale elettrostatico: proteina Apo (senza ligando)

Interazione con la membrana cellulare →

Rilascio del ligando

Page 51: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Dinamica Molecolare della FABP in Acqua per 100 ns.Lontano dai tempi fisiologici, ma insieme ad esperimenti di NMR potrebbe fornire dati importanti riguardo ai meccanismi molecolari

Page 52: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Neutropenia: G-CSF

● La neutropenia è la diminuzione del numero dei granulociti neutrofili, o neutrofili, uno dei 5 tipi di globuli bianchi che circolano nel sangue periferico

● La neutropenia può essere congenita o acquisita. Fra le forme acquisite, che insorgono cioè dopo la nascita, le cause più frequenti sono probabilmente i farmaci e le infezioni virali.

● Tra i farmaci è da ricordare la chemioterapia antitumorale che, quasi sempre, provoca una diminuzione prevedibile del numero dei granulociti neutrofili più o meno grave: se il numero è inferiore a 1000 per microlitro di sangue esiste il rischio di infezioni anche gravi.

Page 53: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

- Il fattore stimolante le colonie di granulociti – G-CSF (fattore di crescita emopoietico: aiuta la differenziazione)

Sono note 2 leggere varianti:

• una che consiste di 174 amminoacidi e

• l’altra che consiste di 177 amminoacidi.

• è una glicoproteina

• presenta un solo sito di glicosilazione legato all’ossigeno ed • un peso molecolare apparente di circa 21 KDa.

• La molecola è stabilizzata dalla presenza di due legami disolfuro. Essa mostra una struttura tridimensionale compatta, che presenta 4 a-eliche.

Funziona come fattore di crescita e di differenziazione per i neutrofili ed i loro precursori. Inoltre sembra attivare i neutrofili maturi.- I neutrofili sono leucociti capaci di ingerire e uccidere i batteri -. G-CSF sembra agire in sinergia con altri fattori di crescita per stimolare crescita e differenziazione di varie altre cellule emopoietiche progenitrici. In più questa citochina promuove la proliferazione e la migrazione di cellule endoteliali.

Page 54: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Le attività di laboratorio consistono nella coniugazione delle proteine terapeutiche con un polimero idrofilico biocompatibile

ad alto peso molecolare (Polietilenglicole; PEG) per ottenere

derivati con più lunga permanenza in circolo

Il processo di PEGhilazione utilizzato avviene per via enzimatica

tramite la transglutamminasi di origine batterica (MTGase) espressa in Streptomyces Mobaraensis

Page 55: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

G-CSF

Enzima: MTGase

Studio dell'interazione enzima - proteina

Studio dinamica Coarse – Grained

Configurazioni: Aperta e Chiusa

Page 56: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Identificazione degli aminoacidi coinvolti nell'interazione (modificati dall'enzima)

Dinamica molecolare della proteina G-CSF e analisi della flessibilità:

- Identificazione del sito di legame per il PEG: Glutamine, Flessibili, Accessibili

Flessibilità !!

Maullu et al. 2009. FEBS journal

Page 57: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

' In our view, it is relevant that computational predictions,

based on publicly available methods, are nowadays

sufficiently reliable to allow the identification of targets of

enzymatic modifications and the redesign of proteins with the

desired properties, as substantiated by the results of our

mutant design experiments, where we could redirect the

enzyme specificity to different sites ' ....

Maullu et al. 2009. FEBS journal

Page 58: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Ringraziamenti

● Prof. H. Molinari● Dr. M. Assfalg● Dr. M. D'Onofrio● Serena Zanzoni

(NMR group Università di Verona)

● Prof. V. Torre● Prof. E. Cherubini● Prof. P. Carloni● Dr. M. Griguol● Dr. A. Maul● Ha-Hung-Chuong Nguyen

(SISSA and Julich, Germany)

● Prof. A. Tramontano● Dr. D. Raimondo

'La Sapienza', Roma● Dr. M. Valentini (CRS4 Sardegna)● BioKer Sardegna

● Michela Dallera● Gabriele Tosadori

Applied Bioinformatics group

Università di Verona

Page 59: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

HCN channels

Activated by membrane hyperpolarizationModulated by interaction with cyclic nucleotidesTetramericSimilar topology to voltage-gated K+ channelsCation selective: K+ > Na+ .Problem: No Crystal structure available (pore)

S1 S2 S3 S4 S5 S6+ +

++

N-Terminal

CNBD

P-helix-Loop

C-Linker

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - -

-50 mV

Cytoplasm

Extracellular

Heart and brain pacemaking regulation

Sea urchin sperm (spHCN) Mammalian heart and brain: HCN1-4

Page 60: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Lys433Modello Strutturale del canale HCN.

- Inserito in membrana per ottimizzazione- solvatato- Ioni K+ nella regione del 'filtro'

Vista dall'alto

Vista semplificata Zoom 'filtro ed ioni'

Page 61: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

Interazioni nella regione del 'filtro

Ci sono differenze significative tra il canale al K+ (a sinistra)

ed il HCN (permeabile sia al K+ che al Na+

Simulazione MD →

Ipotesi: 'filtro' più flessibile

→ Canale meno selettivo.

Giorgetti et al. 2005. Biophys. journal

Page 62: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

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Open

Target: spHCN

G461

T464N465

Q468

HCN channels: Gating Model

I nostri modelli, insieme ai lavori esperimentali del Lab. di Vincent Torre hanno permesso la modellizzazione del canale aperto e chiuso

I modelli sono stati usati da altri per l'individuazione del sito di legame di due molecole blockers.

Giorgetti et al. 2005. Biophys. journal

Cheng et al. 2007

Page 63: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

http://www.wallpaperseek.com/brain-smoker-wallpapers_w5020.html

HCN di cervello bloccato dalla Nicotina

Il lab. Del Prof. Cherubini (SISSA) ha appena scoperto che la nicotina, interagendo con i canali HCN espressi nel cervello potrebbe avere delle conseguenze a livello di regolazione del 'pacemaker' del sistema nervoso.I modelli ci permettono di ipotizzare il sito di legame della nicotina.

Griguoli et al. 2010. Journal of Neuroscience

Page 64: Dinamica Molecolare: Applicazioni Biomediche e Farmaceutiche

' In conclusion, nicotine, by directly blocking Ih in O-

LM interneurons disrupts the temporal coding

necessary for network synchronization and for

generation of the theta rhythm crucial for the

processing and storage of information in the brain.

This may be relevant for smokers '....

Griguoli et al. 2010. Journal of Neuroscience


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