Strategie computazionali per lo screening di recettori quali possibili target di composti noti

Predire il corretto target di un composto chimico costituisce un valido motivo di interesse nel processo di drug discovery, visti i crescenti sforzi che vengono impiegati sia nel ridurre gli ingenti costi delle fasi precliniche che inevitabilmente un futuro farmaco deve attraversare, sia nel comprimere la durata temporale delle relative fasi di ricerca e sviluppo. In questo senso, l'avere a disposizione un modello in grado di prevedere target primari e secondari di una molecola sottoposta ad uno studio accurato può rivelarsi uno strumento molto utile: significherebbe poter tracciare in silico il profilo farmacologico di un futuro farmaco, e quindi poterne prevedere eventuali interazioni off-label, possibili cause di effetti collaterali e reazioni allergiche imprevedibili durante le fasi di progettazione e sintesi. Non solo, conducendo un approccio di questo genere composti di attività conclamata, specifica verso un recettore particolare, potrebbero rivelare nuove interazioni con target secondari, consentendo di riproporre vecchi candidati per nuove indicazioni terapeutiche ed aprendo così nuovi spiragli per la ricerca farmaceutica. Oltre a costituire un valido supporto per altri campi di ricerca, quali la proteomica e la biologia molecolare, la chimica computazionale offre tecniche utili ed imprescindibili nel condurre un approccio mirato alla costruzione di un protocollo in grado di scovare in partenza eventuali bersagli biologici per un qualsiasi composto chimico a struttura nota. Nello specifico, e per tale scopo, con questo lavoro di tesi sono stati condotti studi di tipo ligand-based, partendo dal presupposto che ligandi aventi struttura simile dovrebbero mostrare affinità per target biologici comuni. Il punto di partenza del lavoro è consistito nella creazione di un database 3D contenente tutte le molecole presenti in almeno uno dei complessi cristallografici proteina-ligando disponibili nel Protein Data Bank: questi ligandi offrono utilissime informazioni, in quanto rivelano le caratteristiche strutturali e farmacoforiche necessarie affinché l'interazione biologica con il target possa avere luogo. Con lo scopo di ottenere un modello farmacoforico affidabile per ognuno dei ligandi contenuti nel database realizzato, è stato successivamente messo a punto un software, scritto in linguaggio FORTRAN 77, in grado di evidenziarne le interazioni essenziali con il target con cui sono stati cristallizzati. I modelli ottenuti alla fine sono 74.217. A questo punto sono stati intrapresi due diversi approcci. In primo luogo è stato eseguito uno studio di similarità tra un composto qualsiasi, con attività e target noti, e i vari componenti del database3D, utilizzando il programma di sovrapposizione shape-based ROCS della OpenEye: tale approccio ha correlato l'inibitore COX-2 celecoxib, scelto per questa analisi, ai vari recettori sulla base delle similitudini di shape e color che questo mostra nei confronti dei vari ligandi cristallizzati coi medesimi target. Secondariamente, è stata sviluppata una metodologia alternativa alla prima, più flessibile in quanto cerca di svincolarsi dalle caratteristiche strutturali del ligando cristallizzato, elemento che restringe la ricerca dei potenziali off-target di un composto a quelli complessati con ligandi di struttura simile, spesso appartenenti alla medesima categoria chimico-farmaceutica. Con questo secondo approccio sono state utilizzate le interazioni scovate all'interno dei vari cristalli per ottenere delle reali query farmacoforiche, sulle quali è possibile effettuare un vero e proprio screening pharmacophore-based per una qualsiasi molecola. Tale procedura è stata condotta grazie all'utilizzo del software PHASE, appartenente alla suite Schrodinger, ed è stata estesa a due composti di particolare interesse, sviluppati all'interno della nostra facoltà. I risultati ottenuti da quest'ultimo procedimento sono quindi stati sottoposti ad una procedura di validazione, con l'obiettivo principale di eliminare il maggior numero possibile di falsi positivi. Per questo scopo sono state utilizzate diverse strategie, come particolari studi di docking, procedure di rescoring ed analisi di dinamica molecolare. I risultati finali verranno sottoposti in futuro a specifici saggi biologici, in maniera tale da poter confermare o meno l'affinità dei composti analizzati verso quei target che hanno superato le varie procedure costituenti il nostro studio

Fine tuning of atomic point charges classical simulations of pyridine in different environments

Abstract A correct description of electrostatic contributions in force fields for classical simulations is mandatory for an accurate modeling of molecular interactions in pure liquids or solutions. Here, we propose a new protocol for point charge fitting, aimed to take into the proper account different polarization effects due to the environment employing virtual sites and tuning the point charge within the polarizable continuum model framework. The protocol has been validated by means of molecular dynamics simulations on pure pyridine liquid and on pyridine aqueous solution, reproducing a series of experimental observables and providing the information for their correct interpretation at atomic level

A combined experimental and theoretical study of optical rotatory dispersion for (R)-glycidyl methyl ether in aqueous solution

The dispersive optical activity for aqueous solutions of non-rigid (R)-glycidyl methyl ether (R-GME) has been explored synergistically from experimental and theoretical perspectives. Density functional theory analyses performed with the polarizable continuum model for implicit solvation identified nine low-lying stable conformers that are interconverted by rotation about two large-amplitude torsional coordinates. The antagonistic chiroptical signatures predicted for these structural isomers were averaged under a Boltzmann-weighting ansatz to estimate the behavior expected for a thermally equilibrated ensemble. This led to optical rotatory dispersion profiles that reproduced the overall shape of observations but failed to achieve uniform agreement with measured specific-rotation values even when anharmonic vibrational corrections were applied. A mixed QM/FQ paradigm, whereby quantum-mechanical (QM) calculations of optical activity were combined with classical molecular dynamics simulations of explicit solvation that included mutual-polarization effects by means of fluctuating charges (FQ), was enlisted to elucidate the microsolvation environment and gauge its impact upon conformer distributions and response properties. Although quantitative accord with experiments remained elusive, this approach revealed strong variations in the magnitude and sign of rotatory powers for R-GME as the configuration of surrounding water molecules evolved, thereby highlighting the inherently dynamical nature of the solvated chiroptical response, calling into question the validity of "static" descriptions based on the presumption of distinct energy minima, and giving insight into the inherent complexity posed by the modeling of such properties for solvated systems

Tuning of dye optical properties by environmental effects: a QM/MM and experimental study

The present work is aimed to a deeper investigation of two recently synthesized heteroaromatic fluorophores by means of a computational multilayer approach, integrating quantum mechanics (QM) and molecular mechanics (MM). In particular, dispersion of the title dyes in a polymer matrix is studied in connection with potential applications as photoactive species in luminescent solar concentrators (LSCs). Molecular dynamics simulations, based on accurate QM-derived force fields, reveal increased stiffness of these organic dyes when going from CHCl3 solution to polymer matrix. QM/MM computations of UV spectra for snapshots extracted from MD simulations show that this different flexibility permits to explain the different spectral shapes obtained experimentally for the two different environments. Moreover, the general spectroscopic trends are well reproduced by static computations employing a polarizable continuum description of environmental effects

Search for dark matter produced in association with bottom or top quarks in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for weakly interacting massive particle dark matter produced in association with bottom or top quarks is presented. Final states containing third-generation quarks and miss- ing transverse momentum are considered. The analysis uses 36.1 fb−1 of proton–proton collision data recorded by the ATLAS experiment at √s = 13 TeV in 2015 and 2016. No significant excess of events above the estimated backgrounds is observed. The results are in- terpreted in the framework of simplified models of spin-0 dark-matter mediators. For colour- neutral spin-0 mediators produced in association with top quarks and decaying into a pair of dark-matter particles, mediator masses below 50 GeV are excluded assuming a dark-matter candidate mass of 1 GeV and unitary couplings. For scalar and pseudoscalar mediators produced in association with bottom quarks, the search sets limits on the production cross- section of 300 times the predicted rate for mediators with masses between 10 and 50 GeV and assuming a dark-matter mass of 1 GeV and unitary coupling. Constraints on colour- charged scalar simplified models are also presented. Assuming a dark-matter particle mass of 35 GeV, mediator particles with mass below 1.1 TeV are excluded for couplings yielding a dark-matter relic density consistent with measurements