Effects on the Danish seed system

9.2.1 Módulo de Seleção do Conformações do FReDoWS

O primeiro trabalho desenvolvido pelo LABIO com o objetivo de reduzir o número de conforma- ções e acelerar as simulações de docagem com o modelo FFR está descrito em [MAC06, MAC11a] e consiste em um módulo de seleção de conformações que foi inserido no workflow FReDoWS. O critério de seleção utilizado em [MAC06, MAC11a] baseou-se na idéia de que, se um resultado de docagem com determinada conformação obteve um bom valor de FEB e RMSD, é possível que esta mesma conformação, ao interagir com um ligante parecido com o primeiro, também irá apresen- tar bons valores de FEB e RMSD. Para realizar essa seleção de conformações, são executadas as seguintes etapas:

1. é solicitado ao usuário que informe o total de conformações que ele deseja selecionar, um valor de RMSD máximo e uma tabela de resultados exaustivos para o modelo FFR;

2. a tabela de resultados informada é ordenada de forma crescente por FEB;

3. essa tabela ordenada é separada em duas tabelas de acordo com o valor de RMSD máximo informado;

4. se o total de conformações na tabela com valores dentro do limite de RMSD ultrapassar ou for igual ao total de conformações solicitas pelo usuário, a lista de conformações a serem utilizadas na docagem Seletiva está pronta para uso, caso contrário, são adicionadas conformações cujo resultado de docagem excede o valor máximo de RMSD indicado.

Neste trabalho foram realizados estudos de caso para verificar a eficiência do critério de seleção desenvolvido. Nos resultados apresentados em [MAC06, MAC11a] esse critério se mostrou eficiente principalmente quando realizadas comparações entre os resultados exaustivos e seletivos para um mesmo ligante, a seleção representou adequadamente o modelo FFR. Dessa forma, segundo Machado et al. [MAC11a], para ligantes de uma mesma classe não é necessária a utilização de todas as conformações do FFR, sendo o conjunto selecionado já eficiente na representação do todo. Esse trabalho foi o passo inicial para todo o trabalho apresentado nesta Tese.

9.2.2 RCS - Relaxed Complex Scheme Proposto por Lin et al. [LIN02, LIN03]

O trabalho apresentado em Lin et al. [LIN03] é uma descrição detalhada do trabalho resumido em [LIN02]. Nesses trabalhos [LIN02, LIN03] foi proposta uma abordagem computacional para o tratamento da flexibilidade de receptores: o RCS - relaxed-complex scheme. Esse método reconhece que ligantes devem se ligar a conformações do receptor que ocorrem raramente em uma dinâmica. No RCS, num primeiro estágio é executada uma simulação por DM do receptor sem estar com nenhum ligante, o que gera uma amostra de conformações do mesmo. No segundo estágio do RCS, é executada uma docagem rápida de mini bibliotecas de candidatos a inibidores a um grande conjunto de conformações do receptor geradas no estágio 1 do processo. Para executar a DM foi utilizado o programa AMBER [PEA95] e a duração da simulação foi de 2 ns. A docagem foi executada utilizando o programa AutoDock3.0.5 [MOR98] com o algoritmo LGA.

Um procedimento automático foi desenvolvido tanto para preparar os arquivos para o AutoDock quanto para executar a docagem molecular [LIN02] . E quando esse procedimento é utilizado em conjunto com as simulações pela DM permite a acomodação direta da flexibilidade do receptor. No estudo de caso apresentado foram utilizados as conformações de 10 em 10 ps da DM de 2 ns. A distribuição da FEB variou em torno de 3 kcal/mol, indicando a sensibilidade dos resultados de docagem para as diferentes conformações da DM [LIN02].

Segundo Lin et al [LIN03] existem inúmeros métodos que podem ser aplicados para o cálculo da energia livre de ligação (FEB) do complexo, mas a maiorias destes necessitam de um grande esforço computacional. O esquema aplicado em RCS, o MM/PBSA é um método de pós-processamento para avaliar as energias livres de moléculas ou de complexos com um custo computacional mais baixo que outros métodos. Esse esquema combina energias mecânicas moleculares (MM), energia de solvatação e entropia estimada do complexo e estão detalhadas em [LIN03]. Utilizando o esquema MM/PBSA (Molecular-Mechanics Poisson-Botzmann Surface Area) e ranqueando por FEB os di- ferentes modos de ligação receptor-ligante dos complexos minimizados, é demonstrado por [LIN03] que os melhores resultados estão de acordo com a estrutura cristalográfica, o que mostra que com esse esquema MM/PBSA para determinação da FEB foram obtidos complexos mais estáveis.

9.2.3 Improved RCS Proposto por Amaro et al. [AMA08]

A Figura 9.2 adaptada de [AMA08] mostra uma revisão do método RCS e indica (processos com o fundo em cinza) onde estão as melhorias apresentadas por Amaro et al. [AMA08].

Figura 9.2: Figura adaptada de [AMA08] que mostra uma revisão do método RCS, indicando em fundo cinza as melhorias incluídas por [AMA08] no método RCS. O conjunto de conformações do receptor pode ser gerado por uma DM, ou uma DM com temperatura alta (High T DM), entre outras formas. No RCS de [LIN02,LIN03] foram utilizadas as estruturas de 10 em 10 ps. No trabalho de [AMA08] é proposto 2 algoritmos para seleção de conformações. Também são propostas novas metodologias para o cálculo da FEB: LIE, FEP, explicadas no texto.

A primeira melhora incluída no RCS por Amaro et al. [AMA08] consiste no uso do AutoDock versão 4.0 [MOR09]. Nesta versão do programa AutoDock foram incluídas melhorias em relação a como o ligante é considerado, onde por exemplo, um maior número de tipos de átomos podem estar presentes nos ligantes, é possível adicionar as cargas aos ligantes durante seu preparo para a execução da docagem molecular, entre outras.

O segundo conjunto de melhorias propostas por [AMA08] consiste na consideração tanto de efeitos locais, quanto de efeitos globais na determinação da FEB de determinado complexo receptor- ligante. Essa melhoria esta relacionada com a inclusão de novas funções para a determinação da FEB final, em um estágio de pós-processamento da docagem.

O terceiro conjunto de melhorias define dois algoritmos para a redução do número de conforma- ções da trajetória da DM: a utilização do método Fatoração QR e de um algoritmo de agrupamento de conformações disponíveis no GROMACS [CHR05], que se utiliza dos valores de RMSD entre as estruturas. Essa terceira melhoria proposta por [AMA08] ao método RCS é a que mais interessa nesta revisão pois, assim como o trabalho descrito nesta Tese, foi apresentada uma metodologia para a redução do número de estruturas da DM.

No RCS original as simulações de docagem molecular foram executadas utilizando conformações extraídas da DM em intervalos de tempo iguais, de 10 em 10 ps. O problema é que atualmente as DM são executadas para intervalos de tempo maiores, e por esse motivo, o número de conformações a serem utilizadas aumentou muito. A primeira técnica, chamada de Fatoração QR, foi desenvolvida inicialmente para outros propósitos, e neste trabalho de Amaro et al. [AMA08] foi utilizada para a redução do conjunto de conformações da DM a serem utilizadas na docagem (Figura 9.3. Para isto, essa técnica segue os seguintes passos:

Figura 9.3: Figura adaptada de [AMA08] que mostra o método Fatoração QR incluído no RCS para a seleção da conformações da DM. A esquerda, o resultado da Fatoração QR, que determina as distâncias entre todos os pares de proteínas, de acordo com o RMSD, reordenando as mesmas baseada na similaridade entre elas, onde as não-redundantes estão destacadas em vermelho. A direita, o conjunto inicial de 400 estruturas e o conjunto de 33 estruturas obtidas após a aplicação do método QR.

1. executa um alinhamento estrutural múltiplo utilizando as estruturas da DM de 50 em 50 ps. Para a determinação desse alinhamento múltiplo, todos os possíveis alinhamentos par-a-par são determinados;

2. é realizada um análise a partir de um agrupamento hierárquico, que é computado baseado em uma medida de similaridade estrutural utilizada para o alinhamento múltiplo. A medida de similaridade aplicada mede a distância entre todos os pares de Carbonos α ao longo das estruturas alinhadas;

3. o alinhamento estrutural é então armazenado em uma matriz multidimensional, onde cada conformação é uma coluna e cada linha corresponde a um alinhamento;

4. é aplicado à matriz gerada no passo anterior o método Fatoração QR, gerando como resul- tado uma lista reordenada das conformações baseada na similaridade entre as mesmas. Esse agrupamento hierárquico reordenado é mostrado à esquerda na Figura 9.3. Ele permite então a definição de um conjunto de conformações não-redundantes de acordo com algum limiar estabelecido pelo usuário (conformações marcadas em vermelho na Figura 9.3). A direita na Figura 9.3, um exemplo da aplicação do método de Fatoração QR, de um conjunto ini- cial de 400 estruturas foi obtido um conjunto de 33 estruturas não redundantes. Detalhes em [AMA08].

Também no trabalho de [AMA08] é apresentado um método alternativo para o agrupamento de estruturas baseado em uma matriz de RMSD par-a-par das estruturas. Essa matriz de valores de RMSD é dividida em lotes de estruturas mais similares utilizando um algoritmo de agrupamento con- tido no programa GROMACS [CHR05]. Esse agrupamento permitiu que a docagem fosse executada em um reduzido número de estruturas consideradas mais significativas.