Caracterização das propriedades difusivas de biomoléculas: do enovelamento aos rearranjos conformacionais

Nas últimas cinco décadas, vários grupos de pesquisa vêm se dedicando a estudar o enovelamento das proteínas. Elas são macromoléculas biológicas codificadas linearmente pelos ribossomos e seu enovelamento ocorre espontaneamente e em um curto intervalo de tempo. A teoria da superfície de energia ajudou a superar esse paradoxo ao comparar o processo de enovelamento com uma difusão de estados em um funil de energia rugoso e multidimensional. Essa teoria vêm sendo aplicada com sucesso nos mais diversos contextos, como o enovelamento de proteína, cadeias de ácido nucleico, e mudanças conformacionais de proteínas, ácidos nucleicos e dos ribossomos. Simulações do modelo baseado na estrutura estão fundamentadas na teoria do funil de energia e são analisadas pelas trajetórias de uma coordenada de reação, escolhida para descrever o processo simulado. Neste trabalho, o método estocástico DrDiff de determinação dos coeficientes de drift, difusão e energia livre dependentes da coordenada, é comparado com outras metodologias disponíveis, utilizando um sistema difusivo ideal e dados de simulações de enovelamento/desenovelamento da proteína príon. Viu-se, em todos os contextos, que o método DrDiff obteve excelentes resultados, recuperando os parâmetros de entrada do sistema difusivo ideal, e extraindo o perfil de energia livre da príon. Também foi possível obter o formato de “X” do tempo de primeira passagem e o comportamento linear do tempo de passagem pelo estado de transição, calculados usando os coeficientes de drift e difusão obtidos pelo algoritmo DrDiff. O DrDiff também foi aplicado na análise da trajetória de experimentos de espectroscopia de força em um RNA hairpin e na proteína BR. Os perfis de energia livre obtidos concordaram com os mais refinados resultados apresentados nos respectivos trabalhos experimentais, e os coeficientes de difusão calculados ofereceram um insight do possível efeito do aparato nas medidas. O modelo baseado na estrutura tipo SMOG também pode ser utilizado para simular a dinâmica dos ribossomos, motores macromoleculares, compostos por cadeias proteicas e de ácido nucleico. Durante o processo de síntese das proteínas, os ribossomos passam por enormes mudanças conformacionais descritas pela rotação da sua subunidade menor. Todos os trabalhos teóricos até hoje disponíveis tratavam da rotação dos ribossomos procariotas, menores e mais simples que os eucariotas. Nesse trabalho são reportadas rotações da subunidade menor do ribossomo da levedura Saccharomyces cerevisiae. Foram obtidas rotações reversíveis e não enviesadas, iniciando de ambos os estados (rotacionado e não-rotacionado), usando um único campo de força tipo SMOG modificado. As estruturas médias em cada estado são altamente correlacionadas com as estruturas iniciais correspondentes e os perfis de energia livre obtidos para as trajetórias do ângulo da subunidade menor indicam uma escala temporal comparável aos dados experimentais. As análises feitas até aqui e com as que estão em andamento irão auxiliar na determinação do papel dos efeitos entrópicos e estéricos na rotação do ribossomo eucariota, e traçar paralelos entre ele e seu similar procariota. Over the last five decades, several research groups have been studying the protein folding problem. Proteins are biological molecules linearly synthesized by the ribosomes, and their folding process happens spontaneously and in a short time lapse. The energy landscape theory has helped to overcome this paradox by comparing the folding process to the diffusion of ensembles over the rough multidimensional energy funnel. This theory has been applied to a range of contexts, from folding in proteins and nucleic acids, through conformational changes up to the ribosome dynamics. Structure-based model simulations are underpinned by the energy landscape theory, and the resulting trajectories are analyzed using a reaction coordinate chosen to describe the processes. In this work, the stochastic method for coordinate-dependent drift, diffusion, and free energy coefficients evaluation called DrDiff is compared with other available methods, using both an ideal diffusive system and the PrP protein folding/unfolding simulation data. DrDiff method has shown reliable results in recovering the ideal diffusive system inputs and the PrP free energy profile. The folding/unfolding “X” shape time and the linear transition path time trend were obtained using drift and diffusion coefficients resolved by the DrDiff method. The DrDiff method was also applied to analyze force spectroscopy experiment data from two cases: the RNA hairpin and the BR protein. The captured free energy profiles were similar to the most refined results shown in the respective original works, and the obtained diffusion coefficients offered some insights into the possible role of the apparatus in the measure. The SMOG structure-based model has also been applied to simulate the ribosome dynamics. Ribosomes are macromolecular motors formed by protein and nucleic acid chains complexed. During the protein synthesis, they overcome massive conformational changes described by their small subunit body rotation. Most theoretical papers currently available are focused on prokaryotic ribosome aspects. The eukaryotic ribosomes are bigger, more complex, and less studied. In this work, simulations of small subunit body rotation are reported for the yeast (Saccharomyces cerevisiae) ribosome. Beginning from both rotated and unrotated structures, these simulations have shown reversible and unbiased rotations using a modified SMOG force field. The average structures associated with each state have shown a high correlation with their respective initial structure. Besides that, the obtained free energy profiles suggest a timescale comparable to experimental results. While the data analysis is still in progress, the results may help to establish the role of entropic and steric effects on yeast small subunit body rotation and compare to the prokaryotic ribosome results. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES