Prédictions de complexes protéine-ligand par arrimage moléculaire : développement et applications

Les protéines sont des entités intrinsèquement dynamiques et de nombreuses études ont démontré l’importance de cette propriété à leurs fonctions. Plus particulièrement, la flexibilité protéique est essentielle dans le processus de reconnaissance moléculaire. Lors de tels évènements, les protéines peuvent subir des changements conformationnels mineurs (déplacement de chaînes latérales des acides aminés), majeurs (déplacement de domaines entiers de la protéine) et/ou même se replier. Mes travaux de thèse ont permis de démontrer que de tels réarrangements mineurs sont fréquents et ont aussi permis d’élucider certaines causes potentielles physiques et chimiques. De plus, mes travaux ont démontré l’importance de considérer la flexibilité des chaînes latérales lors de simulations de tels évènements de reconnaissance moléculaire. Plusieurs méthodes computationnelles, dont la dynamique moléculaire et l’arrimage moléculaire, peuvent être utilisées pour prédire la liaison d’un ligand à sa cible. D’un côté, la dynamique moléculaire permet de considérer la flexibilité protéique à toute échelle, mais nécessite un pouvoir computationnel énorme. D’un autre côté, l’arrimage moléculaire restreint le nombre de degrés de liberté considérés, entre autres imposés par la flexibilité protéique. Mes travaux de thèse, en ce qui a attrait au développement de la méthode d’arrimage moléculaire appelée FlexAID, ont permis d’inclure une certaine flexibilité protéique intrinsèque limitant ainsi le nombre de degrés de liberté requis, tout en offrant la possibilité d’ajouter des degrés de liberté supplémentaire pour les mouvements de plus grande envergure ne pouvant être accommodés par cette plasticité protéique. De plus, mes travaux démontrent que FlexAID est compétitive aux autres méthodes dans le domaine et obtient de meilleures performances dans le scénario où les conformations des protéines sous la forme liée sont inconnues. Dans un autre ordre d’idées, les nombreuses simplifications introduites par un logiciel d’arrimage lui permettent d’être une méthode rapide et applicable à la découverte de nouvelles molécules ayant un effet thérapeutique potentiel. Lorsqu’une méthode de repointage est utilisée, les résultats de FlexAID en enrichissement de composés se rapprochent des performances d’autres logiciels couramment utilisés lors de criblage virtuel. Mes travaux portant sur le système biologique de la Matriptase-2 montrent que la méthode FlexAID peut être utilisée à la découverte de nouvelles petites molécules

Functional domains of Acinetobacter bacteriophage tail fibers

A rapid increase in antimicrobial resistant bacterial infections around the world is causing a global health crisis. The Gram-negative bacterium Acinetobacter baumannii is categorized as a Priority 1 pathogen for research and development of new antimicrobials by the World Health Organization due to its numerous intrinsic antibiotic resistance mechanisms and ability to quickly acquire new resistance determinants. Specialized phage enzymes, called depolymerases, degrade the bacterial capsule polysaccharide layer and show therapeutic potential by sensitizing the bacterium to phages, select antibiotics, and serum killing. The functional domains responsible for the capsule degradation activity are often found in the tail fibers of select A. baumannii phages. To further explore the functional domains associated with depolymerase activity, tail-associated proteins of 71 sequenced and fully characterized phages were identified from published literature and analyzed for functional domains using InterProScan. Multisequence alignments and phylogenetic analyses were conducted on the domain groups and assessed in the context of noted halo formation or depolymerase characterization. Proteins derived from phages noted to have halo formation or a functional depolymerase, but no functional domain hits, were modeled with AlphaFold2 Multimer, and compared to other protein models using the DALI server. The domains associated with depolymerase function were pectin lyase-like (SSF51126), tailspike binding (cd20481), (Trans)glycosidases (SSF51445), and potentially SGNH hydrolases. These findings expand our knowledge on phage depolymerases, enabling researchers to better exploit these enzymes for therapeutic use in combating the antimicrobial resistance crisis

Solvated interaction energy: from small-molecule to antibody drug design

Scoring functions are ubiquitous in structure-based drug design as an aid to predicting binding modes and estimating binding affinities. Ideally, a scoring function should be broadly applicable, obviating the need to recalibrate and refit its parameters for every new target and class of ligands. Traditionally, drugs have been small molecules, but in recent years biologics, particularly antibodies, have become an increasingly important if not dominant class of therapeutics. This makes the goal of having a transferable scoring function, i.e., one that spans the range of small-molecule to protein ligands, even more challenging. One such broadly applicable scoring function is the Solvated Interaction Energy (SIE), which has been developed and applied in our lab for the last 15 years, leading to several important applications. This physics-based method arose from efforts to understand the physics governing binding events, with particular care given to the role played by solvation. SIE has been used by us and many independent labs worldwide for virtual screening and discovery of novel small-molecule binders or optimization of known drugs. Moreover, without any retraining, it is found to be transferrable to predictions of antibody-antigen relative binding affinities and as accurate as functions trained on protein-protein binding affinities. SIE has been incorporated in conjunction with other scoring functions into ADAPT (Assisted Design of Antibody and Protein Therapeutics), our platform for affinity modulation of antibodies. Application of ADAPT resulted in the optimization of several antibodies with 10-to-100-fold improvements in binding affinity. Further applications included broadening the specificity of a single-domain antibody to be cross-reactive with virus variants of both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2, and the design of safer antibodies by engineering of a pH switch to make them more selective towards acidic tumors while sparing normal tissues at physiological pH

Pharmacokinetic and pharmacodynamic modelling after subcutaneous, intravenous and buccal administration of a high-concentration formulation of buprenorphine in conscious cats

The aim of this study was to describe the joint pharmacokinetic-pharmacodynamic model and evaluate thermal antinociception of a high-concentration formulation of buprenorphine (Simbadol™) in cats

Exploring rigid-backbone protein docking in biologics discovery: a test using the DARPin scaffold

Accurate protein-protein docking remains challenging, especially for artificial biologics not coevolved naturally against their protein targets, like antibodies and other engineered scaffolds. We previously developed ProPOSE, an exhaustive docker with full atomistic details, which delivers cutting-edge performance by allowing side-chain rearrangements upon docking. However, extensive protein backbone flexibility limits its practical applicability as indicated by unbound docking tests. To explore the usefulness of ProPOSE on systems with limited backbone flexibility, here we tested the engineered scaffold DARPin, which is characterized by its relatively rigid protein backbone. A prospective screening campaign was undertaken, in which sequence-diversified DARPins were docked and ranked against a directed epitope on the target protein BCL-W. In this proof-of-concept study, only a relatively small set of 2,213 diverse DARPin interfaces were selected for docking from the huge theoretical library from mutating 18 amino-acid positions. A computational selection protocol was then applied for enrichment of binders based on normalized computed binding scores and frequency of binding modes against the predefined epitope. The top-ranked 18 designed DARPin interfaces were selected for experimental validation. Three designs exhibited binding affinities to BCL-W in the nanomolar range comparable to control interfaces adopted from known DARPin binders. This result is encouraging for future screening and engineering campaigns of DARPins and possibly other similarly rigid scaffolds against targeted protein epitopes. Method limitations are discussed and directions for future refinements are proposed

Synthetic Plasmodium-Like Hemozoin Activates the Immune Response: A Morphology - Function Study

Increasing evidence points to an important role for hemozoin (HZ), the malaria pigment, in the immunopathology related to this infection. However, there is no consensus as to whether HZ exerts its immunostimulatory activity in absence of other parasite or host components. Contamination of native HZ preparations and the lack of a unified protocol to produce crystals that mimic those of Plasmodium HZ (PHZ) are major technical limitants when performing functional studies with HZ. In fact, the most commonly used methods generate a heterogeneous nanocrystalline material. Thus, it is likely that such aggregates do not resemble to PHZ and differ in their inflammatory properties. To address this issue, the present study was designed to establish whether synthetic HZ (sHZ) crystals produced by different methods vary in their morphology and in their ability to activate immune responses. We report a new method of HZ synthesis (the precise aqueous acid-catalyzed method) that yields homogeneous sHZ crystals (Plasmodium-like HZ) which are very similar to PHZ in their size and physicochemical properties. Importantly, these crystals are devoid of protein and DNA contamination. Of interest, structure-function studies revealed that the size and shape of the synthetic crystals influences their ability to activate inflammatory responses (e.g. nitric oxide, chemokine and cytokine mRNA) in vitro and in vivo. In summary, our data confirm that sHZ possesses immunostimulatory properties and underline the importance of verifying by electron microscopy both the morphology and homogeneity of the synthetic crystals to ensure that they closely resemble those of the parasite. Periodic quality control experiments and unification of the method of HZ synthesis are key steps to unravel the role of HZ in malaria immunopathology

Étude des investissements directs étrangers sud-africains et chinois en Afrique : les préférences politiques et les implications idéologiques

L'exemple de réussite économique des pays émergents fait de plus en plus d'envieux en Afrique. La croissance des investissements des pays émergents en Afrique est maintenant au centre de la politique économique internationale et deux pays sont grandement actifs en Afrique : l'Afrique du Sud et la Chine. L'objectif de ce mémoire est d'expliquer l'action politique et économique sud-africaine et chinoise en Afrique et d'identifier les déterminants politiques qui influencent les choix de destination de ces investissements. Les résultats révèlent que les investissements directs étrangers des corporations multinationales sud-africaines et chinoises en Afrique subsaharienne sont dirigés de préférence vers les pays ayant un régime politique autocratique en 2009 et 2010. Les résultats révèlent également que l'Afrique du Sud et la Chine ne prennent pas en considération lors de leurs investissements en Afrique subsaharienne le respect des droits humains. Finalement, nos résultats nous laissent croire que les deux pays émergents à l'étude, la Chine et l'Afrique du Sud, défient l'approche traditionnelle qui met habituellement de l'avant la bonne gouvernance démocratique et le respect des droits humains lors du choix des pays récipiendaires. L'action de ces deux pays émergents semble ainsi montrer un changement de paradigme à propos du développement économique

Prédictions de complexes protéine-ligand par arrimage moléculaire : développement et applications

Les protéines sont des entités intrinsèquement dynamiques et de nombreuses études ont démontré l’importance de cette propriété à leurs fonctions. Plus particulièrement, la flexibilité protéique est essentielle dans le processus de reconnaissance moléculaire. Lors de tels évènements, les protéines peuvent subir des changements conformationnels mineurs (déplacement de chaînes latérales des acides aminés), majeurs (déplacement de domaines entiers de la protéine) et/ou même se replier. Mes travaux de thèse ont permis de démontrer que de tels réarrangements mineurs sont fréquents et ont aussi permis d’élucider certaines causes potentielles physiques et chimiques. De plus, mes travaux ont démontré l’importance de considérer la flexibilité des chaînes latérales lors de simulations de tels évènements de reconnaissance moléculaire. Plusieurs méthodes computationnelles, dont la dynamique moléculaire et l’arrimage moléculaire, peuvent être utilisées pour prédire la liaison d’un ligand à sa cible. D’un côté, la dynamique moléculaire permet de considérer la flexibilité protéique à toute échelle, mais nécessite un pouvoir computationnel énorme. D’un autre côté, l’arrimage moléculaire restreint le nombre de degrés de liberté considérés, entre autres imposés par la flexibilité protéique. Mes travaux de thèse, en ce qui a attrait au développement de la méthode d’arrimage moléculaire appelée FlexAID, ont permis d’inclure une certaine flexibilité protéique intrinsèque limitant ainsi le nombre de degrés de liberté requis, tout en offrant la possibilité d’ajouter des degrés de liberté supplémentaire pour les mouvements de plus grande envergure ne pouvant être accommodés par cette plasticité protéique. De plus, mes travaux démontrent que FlexAID est compétitive aux autres méthodes dans le domaine et obtient de meilleures performances dans le scénario où les conformations des protéines sous la forme liée sont inconnues. Dans un autre ordre d’idées, les nombreuses simplifications introduites par un logiciel d’arrimage lui permettent d’être une méthode rapide et applicable à la découverte de nouvelles molécules ayant un effet thérapeutique potentiel. Lorsqu’une méthode de repointage est utilisée, les résultats de FlexAID en enrichissement de composés se rapprochent des performances d’autres logiciels couramment utilisés lors de criblage virtuel. Mes travaux portant sur le système biologique de la Matriptase-2 montrent que la méthode FlexAID peut être utilisée à la découverte de nouvelles petites molécules