Scienza e ricerca

Il filtro del legame idrogeno
Questo articolo mostra una anticipazione di un filtro bonus in arrivo, il filtro “Rete di legami idrogeno”. Stiamo introducendo questo filtro per superare una grande sfida nel design dell'interfaccia delle proteine, e un qualcosa che abbiamo osservato in molti disegni Foldit. Molti disegni che abbiamo visto finora hanno usato tanti residui idrofobici nelle loro interfacce: questo funziona perché questi residui idrofobici sono “sepolti” nel nucleo del complesso simmetrico, depositati tra due copie della proteina.

Le spirali in blu e bianco mostrano una rete di legami di idrogeno tra tre catene laterali e altre non completamente rappresentati.

Tuttavia, quando si progettano proteine con interfacce, è necessario considerare che l'immissione di questi idrofobici sull'interfaccia significa che questi residui saranno sulla superficie di ciascuno dei singoli pezzi. Questo è un problema perché significa che questi sono esposti in ciascuno dei pezzi isolati, rendendo improbabile che ogni pezzo ripieghi correttamente da solo.
Se i pezzi non si ripiegano da soli, non saranno in grado di interagire tra loro!!
Per risolvere questo problema, i progettisti del Baker Lab hanno utilizzato la “Rete di legami idrogeno”. Una “Rete di legami idrogeno” è una “rete” di legami idrogeno che connette le catene laterali di residui multipli. Quando vengono costruite attraverso interfacce proteiche, queste reti contribuiscono a rendere l'interfaccia più stabile. E’ possibile vedere un esempio di questa rete qui sotto:

E a differenza di un nucleo idrofobo, queste reti possono essere costituite da residui idrofili polari. A causa di ciò, la rete funziona bene come una superficie per ogni pezzo - e funziona ancora bene come un'interfaccia tra i pezzi! L'altro grande vantaggio di queste reti è che aumentano la specificità dell'interfaccia. Poiché le reti sono unite insieme molto attentamente come un puzzle, ogni pezzo sarà più “contento” quando gli sarà consentito di collegarsi in rete con gli altri pezzi.
Ciò aiuta a garantire che i pezzi della vostra proteina si interfaccino tra di loro come avete inteso!

Hydrogen Bonds - Legami idrogeno

I legami di idrogeno sono un'interazione tra un donatore e un accettore: come suggerisce il nome, il donatore cede un atomo di idrogeno, e l’accettore lo accetta. In Foldit, si possono vedere questi donatori e accettatori utilizzando determinate opzioni di visualizzazione disponibili quando si abilita "Mostra Interfaccia avanzata" in Opzioni generali.
Utilizzando lo schema di colori “Score/Hydro+CPK” i donatori saranno blu e gli accettori rossi, come potete vedere nell’esempio sopra. I donatori hanno una carica parziale positiva e gli accettori hanno una carica parziale negativa: questo provoca l’attrazione tra i due. La questione delle cariche opposte non sono tutto: queste cariche sono in collocazioni e direzioni specifiche ed è la geometria del legame idrogeno che impone la sua forza. Per avere un'idea migliore di come migliorare la tua geometria, puoi utilizzare l'opzione “Stick + polarH” in 'Visualizza Proteina'. Questa opzione consente di vedere gli stessi atomi di idrogeno, mostrati in bianco.

Hydrogen Bond Networks - Reti di legami idrogeno

Quando più legami idrogeno si collegano a più catene laterali, formando una rete di idrogeno idonea. Per ottenere del credito per una “rete” in Foldit, devi avere almeno 3 legami di idrogeno e almeno un legame di idrogeno che si collega attraverso un'interfaccia (questi criteri possono cambiare da puzzle a puzzle).
Nei puzzle in cui è il Filtro attivabile, è possibile visualizzare i legami utilizzandolo: a tale scopo, aprire il pannello di filtraggio a discesa sotto il pannello dei punteggi e fare clic sulla casella di controllo "Mostra" per il filtro HBond Network. Le reti valide appariranno come una rete di legami blu. Ogni rete valida che viene formata otterrà un punteggio, che verrà quindi aggiunto al punteggio totale come bonus.
Ma cosa rende “buona” una rete di legami idrogeno?
Beh, in primo luogo, i tuoi legami di idrogeno devono essere buoni: un legame idrogeno debole non funziona per estendere una rete. Bisogna ricordare che la forza di un legame idrogeno dipende dalla sua geometria. Il donatore e l'accettazione devono essere alla distanza e all'angolo giusti per essere abbastanza forti per una rete. Le obbligazioni troppo deboli verranno visualizzate in rosso sulla visualizzazione.

Una volta che hai una rete di buoni legami, il punteggio di una rete idrogeno viene valutato come segue:

Score = SCORE_SCALE * percent_polars_satisfied * num_intermolecule_bonds

Cosa significa?
SCORE_SCALE – E’ solo una costante impostata sulla base del puzzle in uso per decidere quanto valgono le reti idrogeno.
percent_polars_satisfied - Una buona rete di legame di idrogeno minimizzerà il numero di atomi polari non soddisfatti. Se nella rete c'è un atomo blu o rosso, dovrebbe essere legato a qualcosa - in alcuni casi, più volte. E’ corretto che la rete soddisfi la maggior parte o tutti i suoi atomi polari.
num_intermolecule_bonds - Più i legami la rete formerà attraverso le interfacce simmetriche della tua proteina, maggiore sarà il punteggio!
Si possono vedere le statistiche per ogni singola rete, spostandola su uno dei legami di quella rete. Questo evidenzierà anche tutti i legami della rete in giallo:

È importante notare che mentre le reti legami idrogeno sono ottime per stabilizzare l'interfaccia tra le vostre proteine simmetriche, dovrebbero avere anche alcuni residui idrofobici sull'interfaccia. Le soluzioni migliori saranno quelle in equilibrio! Idealmente, si desidererebbe una rete molto connessa e perfettamente soddisfatta, con “imballaggio” idrofobo stretto attorno ad esso.

Questo articolo vuole descrivere la funzionalità “scuotere” (wiggle) per le piccole molecole, analogamente a quello usato per le proteine.
Le molecole farmaco (piccole molecole) si legano ad una molecola bersaglio (una proteina, nel nostro caso) e influenzano la funzione della proteina. Questo cambiamento della funzionalità porta all’azione fisiologica desiderata, come l’alleviare una malattia o i suoi sintomi. Per esempio l’Imatinib (Gleevec) si lega e blocca un enzima la cui iperattività causa la leucemia.

Come l’imatinib, tutti i le molecole dei farmaci si legano ai loro bersagli in una “sacca” specifica in una particola disposizione 3d (docking proteico). Per il successo della progettazione del farmaco, bisogna riassumere la posa vincolante più “attraente” del presunto farmaco (ligando) alla proteina: questo richiede che sia determinata la struttura 3D del ligando in grado di legarsi il bersaglio. La disposizione spaziale che gli atomi in una molecola possono adottare l’uno rispetto all'altro è chiamata conformazione. Una molecola può adottare conformazioni libere multiple date dalle rotazioni dei singoli legami, motivo per cui l’enumerazione delle conformazioni 3D è essenziale per la modellazione del ligando connesso in Foldit. Come forse sapete, usiamo la funzione “scuoti” per enumerare le conformazioni della catena laterale: questo lo facciamo usando una serie di regole che sono state identificate per 20 aminoacidi dalle strutture proteiche conosciute nella Banca dati Proteine (PDB). Come si può immaginare l'enumerazione della conformazione di piccole molecole è sostanzialmente più complessa di quella dello scuoti di quelle 20 catene laterali di aminoacidi, a causa di grandi spazi chimici.
Foldit utilizzerà un algoritmo che abbiamo sviluppato per campionare le conformazioni dei ligandi: utilizza le informazioni contenute nel Database di Strutture di Cambridge (CSD), un repository di strutture a cristalli di piccole molecole (nota a margine, il gruppo CSD ci ha permesso di usare gratuitamente il proprio database). L'algoritmo utilizza un database derivato dal CSD, ovvero una libreria di rotameri che contiene statistiche sulle più comuni conformazioni di piccoli frammenti molecolari. Data una molecola che interessa, l'algoritmo determina quali frammenti più piccoli fanno parte di essa e utilizza le informazioni nella libreria CSD-Rotameri per esaminare le conformazioni.
Durante il processo di progettazione del farmaco, il ligando verrà costruito aggiungendo frammenti ai frammenti di base: è possibile cliccare il pulsante dei ligandi per esaminare le loro conformazioni e lasciare che Rosetta (il motore di Foldit) scelga la conformazione che meglio si adatta al sito di legame. C’è un video di questa tecnologia che mostra l’aggiunta di un frammento alla piccola molecola di base (mostrata in arancione) e, poi, dopo 26 secondi, il nuovo frammento ruota. Stiamo usando la proteasi dell’HIV come caso di prova.

La progettazione di farmaci: l’aggiornamento dell’interfaccia
La parte del progetto legata al design farmacologico è cominciata qualche mese fa con una interfaccia veramente semplice

L'idea che abbiamo avuto era quella di utilizzare l'interfaccia utente grafica per la progettazione di proteine: nell’immagine qui sopra si vede il menù “Pi” quando si seleziona un atomo da progettare. Mentre questo è un concetto abbastanza buono, il problema principale che abbiamo incontrato era che il menu “Pi” nascondeva il ligando da progettare. Era molto difficile eseguire le modifiche e vederne gli effetti sulla proteina/ligando.
Questa difficoltà ha determinato un passaggio a un menu separato.

In questo menu, che abbiamo chiamato “Pannello di progettazione di Ligandi”, è possibile selezionare gli atomi da progettare e quindi fare clic sul pannello stesso per cambiarli. La cosa fantastica è ora che si può spostare il pannello di progettazione e vedere la proteina e il ligando senza interferire con il menu stesso. Naturalmente ci sono anche alcuni problemi con questo menu: abbiamo alcune opinioni miste e ti invitiamo a condividere i tuoi pensieri nel nostro thread qui sotto.

Gli elementi da scegliere sono solo etichettati con il nome dell'elemento: C-carbonio, N-azoto, O-ossigeno, P-fosforo, ecc. Inoltre i frammenti mostrati sotto gli elementi sono di un colore simile al magenta. Inoltre, quando si fa clic su un atomo, poi su un frammento, non si ha idea di dove sarà collocato quel nuovo frammento, spazialmente: per questo abbiamo avuto bisogno di aggiornare il pannello ligandi. Il nuovo pannello è molto più colorato! Gli elementi sono colorati in base al loro colore CPK e i frammenti sono stati sostituiti con immagini ad alta definizione. Inoltre, ora, quando si seleziona un frammento, un contorno “raggiante” di quel frammento viene disegnata sulla struttura. Non bisogna più tirare ad indovinare dove il frammento sarà collocato!!
Inoltre, abbiamo aggiunto la possibilità di modificare i vincoli e questo ci porta al prossimo miglioramento grafico introdotto. Prima, tutto era mostrato come un legame singolo: ora, la piccola molecola viene disegnata con i suoi legami visibili ed è disponibile un nuovo modo di visualizzare la proteina, chiamata l'”opzione di visualizzazione Cartoon Ligand” (sotto impostazioni avanzate, Proteine vista: Cartoon Ligand).

Abbiamo aggiunto nuovi modi di visualizzare interazioni all'interno della proteina. Abbiamo anche aggiunto un pannello di visualizzazione ligandi, che permette di trasformare l'isosuperficie solo intorno alla piccola molecola, mostrando aree in cui ci sono un accettore / donatore di legame di idrogeno e, infine, dove c'è repulsione tra atomi. È anche possibile modificare al volo la trasparenza di tutto, cosa che consente una più diretta manipolazione delle impostazioni. Infine, abbiamo aggiunto funzionalità che aiutano a farti notare se si sta cercando di progettare qualcosa che non sia chimicamente fattibile.
Ci auguriamo che tutti godano di queste nuove aggiunte; fateci sapere quali altre cose vorreste vedere nel settore grafico.

Introduzione alla progettazione dei farmaci (drug design) in Foldit

Durante una delle developers chats, è stato sottolineato che i giocatori vorrebbero più aggiornamenti riguardo i nuovi sviluppi in Foldit: cercheremo di aggiornare il più possibile sui progressi nel disegno di farmaci in Foldit e spiegare alcune delle idee scientifiche dietro le implementazioni nel gioco.

Per iniziare, vorrei spiegare un componente che è cambiato in Rosetta (il software sottostante a Foldit) per consentire il design farmacologico. Rosetta assegna proprietà agli atomi sulla base del tipo di atomo: queste proprietà possono essere “qualsiasi cosa” se l'atomo è un donatore/accettore del legame di idrogeno, se l'atomo ama essere esposto all'acqua o meno. Inoltre, possono essere assegnati i valori numerici utilizzati per valutare un residuo basato sui suoi atomi; molti di questi valori utilizzati nel punteggio sono derivati dal campo della forza CHARMM, sviluppato dal dottor Karplus (che ha ricevuto il premio Nobel per la chimica!).
Mentre questi valori aiutano a segnare il residuo e gli atomi, riescono a fare poco per “raccontare” la configurazione dell'atomo in relazione con altri atomi legati ad esso e questo è molto importante per il design dei farmaci. Per questa categoria di progettazione, il tipo di legame che può essere aggiunto o eliminato (o i tipi di atomi che possono essere aggiunti o cancellati) deve sapere qual’è la configurazione dell'atomo originale. Ad esempio, se un atomo ha un doppio legame ad un altro atomo, può quell'atomo formare un legame triplo? Ha qualche elettrone libero per partecipare in un’altra interazione? Quando si progettano piccole molecole per la farmacologia, queste proprietà o regole chimiche devono essere note.
Per fare questo, noi del gruppo Meiler, abbiamo lavorato per inserire questo nuovo tipo di atomi in Rosetta: usiamo l’amminoacido TYR come esempio. Questo sotto è un diagramma del TYR con alcuni atomi etichettati con le loro proprietà assegnate da Rosetta usando il vecchio schema atomico.

Alcune proprietà sono codificate nell’atomo, come il carbonio che diventa aromatico o l’ossigeno che diventa polare. Queste proprietà sono molto utili per valutare la catena laterale, ma abbiamo anche bisogno di aggiungere un livello per la codifica della configurazione dell'atomo.
Le regole che usiamo per codificare la configurazione generale della proteina sono basate sulla configurazione geometrica degli atomi in relazione con ciò che è legato e con il numero di elettroni nei legami (denominati come atomi di Gasteiger).
Per il nostro esempio TYR, l’aroC conserva le stesse proprietà iniziali, ma di essa conosciamo anche la geometria.

Il nuovo tipo di atomo è C_TrTrTrPi. Questo significa che il carbonio ha tre legami che sono in trigono: questa configurazione trigonale si riferisce alle regole VSEPR. Il “Pi” alla fine del nome significa che c’è un pi orbitale nel sistema, occupato da un elettrone. Questo orbitale è libero di interagire con altri atomi di idrogeno o con altri pi per formare delle interazioni cationi-pi, che sono tutti importanti per il drug design. Per quanto riguarda l’ossigeno, adesso è definito come O_Te2Te2TeTe. Questo significa che ci sono 2 coppie isolate in tetraedro (sp3, Te2Te2) e altri due legami in configurazione tetraedra (TeTe).
Mentre gli amminoacidi non vedranno spesso l’uso di questi tipi di descrittori per la progettazione di farmaci, le piccole molecole lo faranno. Ad esempio, consente di esaminare un gruppo di ciano, un gruppo comune utilizzato nel disegno di droga.

Nel gruppo ciano, la vecchia denominazione Rosetta per l'atomo è aroC, ma la configurazione di questo atomo è molto diversa da quella aroC vista in TYR! Se si dovesse modificare l'atomo, come si farebbe a conoscere la configurazione dei legami? E’ qui che entra in gioco la forza di questo nuovo tipologia di atomo: con la nuova tipizzazione, possiamo sapere che il carbonio è lineare (la porzione “DiDi”, Di=diagonale/lineare) e che ci sono due pi-orbitali (“PiPi”). Questo significa che se si aggiungono o sostituiscono atomi, si può sapere esattamente la collocazione di questi nuovi atomi e il tipo di interazioni che possono crearsi.

Anche se queste possono sembrare delle piccole modifiche, aumentano notevolmente la capacità di Rosetta per la progettazione di farmaci. Con questi nuovi tipi di atomi, possiamo combinare / aggiungere / eliminare / modificare residui e piccole molecole rapidamente e con facilità.