Δομικές και υπολογιστικές μελέτες πεπτιδίων

Abstract

A computational solution to the protein folding problem has evolved to the Holy Grail of modern Biochemistry and Structural Biology. Peptides have been an attractive candidate for such studies due to their small size and the opportunity that they offer to directly compare theory with experiment. The present thesis is focused on developing a novel method for the rational design and engineering of small peptides with desired molecular properties, which has direct implications in drug discovery. The primary aim is to identify sufficiently small peptides that can still form stable structures in aqueous solutions. The first step includes ab initio design of peptides using automated methods to select peptide sequences and is entirely implemented through programs written in C and Perl. The second step includes the in silico folding and structure characterization using molecular dynamics simulations. The simulations are performed using explicit representation of the solute and state-of-the-art algorithms for the production of NpT runs with periodic boundary conditions and full treatment of the electrostatics. The evaluation and sorting of peptides is achieved through a number of scoring functions, that include terms based on interatomic vector distances, atomic fluctuations and RMSD matrices between successive frames of a trajectory. The length of the simulations is such that can guarantee the successful exclusion of unfolded peptides. Highly-scored peptides are studied further through longer simulations and using different empirical force fields. Our method concluded to only a handful of tetra- and pentapeptides that have a good prognosis for being foldable. The tetrapeptides are more flexible and disordered whilst we were able to point out two pentapeptides with strong foldability prognosis. Experimental validation of our computational predictions shall lend support to our methodology or shall reveal the deficiencies of the current generation theoretical tools, that can only lead to their improvement.

Το πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών αποτελεί το Άγιο Δισκοπότηρο για τους σύγχρονους Βιοχημικούς και Δομικούς Βιολόγους. Ένας ιδιαίτερα ελκυστικός υποψήφιος για τη μελέτη της αναδίπλωσης είναι τα πεπτίδια λόγω του μικρού τους μεγέθους, το ρόλο που θεωρείται ότι διαδραματίζουν κατά την έναρξη της αναδίπλωσης και τη δυνατότητα που προσφέρουν για άμεση σύγκριση μεταξύ θεωρίας και πειράματος. Η παρούσα διατριβή εστιάζεται στον ορθολογικό σχεδιασμό (πεπτιδική μηχανική) μικρών πεπτιδίων με σταθερή δομή και επιθυμητές μοριακές ιδιότητες με προφανείς φαρμακολογικές εφαρμογές. Ο πρωταρχικός στόχος είναι η εύρεση πεπτιδίων μικρού μοριακού βάρους που μπορούν να υιοθετήσουν σταθερή δομή σε υδατικά διαλύματα. Αρχικά γίνεται ab initio σχεδιασμός των αλληλουχιών ενώ όλη η διαδικασία γίνεται με συστηματικό τρόπο μέσω προγραμμάτων. Στην επόμενη φάση οι πεπτιδικές αλληλουχίες αναδιπλώνονται και χαρακτηρίζονται δομικά in silico μέσω προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Όλες οι προσομοιώσεις πραγματοποιούνται με αναλυτική παρουσία του διαλύτη, συνθήκες περιοδικής οριοθέτησης και πλήρη υπολογισμό των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων χρησιμοποιώντας state-of-the-art αλγόριθμους. Η εκτίμηση της αναδιπλωσιμότητας των πεπτιδίων γίνεται μέσω συναρτήσεων χρησιμοποιώντας μεταξύ άλλων ατομικές αποστάσεις, ατομικές διακυμάνσεις και πίνακες RMSD μεταξύ διαδοχικών δομών του τροχιακού. Η χρονική διάρκεια των προσομοιώσεων επιλέγεται κατάλληλα ώστε να εγγυάται σε κάθε κύκλο των αποκλεισμό των ασταθών πεπτιδίων, ενώ αυτά που λαμβάνουν υψηλή βαθμολογία μελετώνται περαιτέρω με προσομοιώσεις μεγαλύτερης διάρκειας και διαφορετικά force fields. Η πορεία που ακολουθήσαμε οδήγησε στην ταυτοποίηση ενός μικρού αριθμού τετραπεπτιδίων και πενταπεπτιδίων με ισχυρή αναδιπλωσιμότητα. Τα τετραπεπτίδια είναι περισσότερο ασταθή και με συχνότερα γεγονότα αναδίπλωσης/αποδιάταξης, ενώ δύο πενταπεπτίδια σχηματίζουν σταθερή δομή για σημαντικό ποσοστό του χρόνου προσομοίωσης και για τα συγκεκριμένα force fields. Περαιτέρω πειραματικές πλέον μελέτες αναμένεται να δείξουν την εγκυρότητα ή μη των προβλέψεών μας, αναδεικνύοντας την ικανότητα των σύγχρονων υπολογιστικών εργαλείων αλλά και το περιθώριο βελτίωσής τους.