A Bioinformatics Study of Protein Conformational Flexibility and Misfolding: a Sequence, Structure and Dynamics Approach

This PhD Thesis titled "A Bioinformatics Study of Protein Conformational Flexibility and Misfolding: a Sequence, Structure and Dynamics Approach" comprises the results and conclusions obtained by us from the study of three different but somehow related research projects, covering aspects of the phenomenon of protein local conformational instability, its relationship with protein function, evolvability and aggregation, and the effect of genetic variations on protein conformational instability related to Conformational Diseases. These projects include the prediction of putative prion proteins in complete proteomes and the study of prion biology from a genomic perspective, the prediction of conformationally unstable protein regions and the existence of a structural framework for linking conformational instability to folding and function, and the establishment of a rationale for assessing the connection among mutations and disease phenotypes in Conformational Diseases.Esta tesis doctoral comprende los resultados y conclusiones obtenidos por nosotros a partir del estudio de tres proyectos de investigación diferentes pero de alguna manera relacionados, cubriendo los aspectos del fenómeno de la inestabilidad conformacional local de la proteína, su relación con la función de la proteína, la capacidad de evolución y agregación, y el efecto de las variaciones genéticas en la inestabilidad conformacional de la proteína relacionados con las enfermedades conformacionales. Estos proyectos incluyen la predicción de presuntas proteínas priónicas en proteomas complejos y el estudio de la biología de priones desde una perspectiva genómica, la predicción de las regiones de proteínas conformacionalmente inestables y la existencia de un marco estructural para la vinculación de la inestabilidad conformacional del plegado y la función, y el establecimiento de una razón fundamental para la evaluación de la relación entre las mutaciones y fenotipos de la enfermedad en enfermedades conformacionales

Stream Learning in Energy IoT Systems: A Case Study in Combined Cycle Power Plants

The prediction of electrical power produced in combined cycle power plants is a key challenge in the electrical power and energy systems field. This power production can vary depending on environmental variables, such as temperature, pressure, and humidity. Thus, the business problem is how to predict the power production as a function of these environmental conditions, in order to maximize the profit. The research community has solved this problem by applying Machine Learning techniques, and has managed to reduce the computational and time costs in comparison with the traditional thermodynamical analysis. Until now, this challenge has been tackled from a batch learning perspective, in which data is assumed to be at rest, and where models do not continuously integrate new information into already constructed models. We present an approach closer to the Big Data and Internet of Things paradigms, in which data are continuously arriving and where models learn incrementally, achieving significant enhancements in terms of data processing (time, memory and computational costs), and obtaining competitive performances. This work compares and examines the hourly electrical power prediction of several streaming regressors, and discusses about the best technique in terms of time processing and predictive performance to be applied on this streaming scenario.This work has been partially supported by the EU project iDev40. This project has received funding from the ECSEL Joint Undertaking (JU) under grant agreement No 783163. The JU receives support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and Austria, Germany, Belgium, Italy, Spain, Romania. It has also been supported by the Basque Government (Spain) through the project VIRTUAL (KK-2018/00096), and by Ministerio de Economía y Competitividad of Spain (Grant Ref. TIN2017-85887-C2-2-P)

Computational Studies of Molecular Materials for Unconventional Energy Conversion: The Challenge of Light Emission by Thermally Activated Delayed Fluorescence

In this paper we describe the mechanism of light emission through thermally activated delayed fluorescence (TADF)—a process able to ideally achieve 100% quantum efficiencies upon fully harvesting the energy of triplet excitons, and thus minimizing the energy loss of common (i.e., fluorescence and phosphorescence) luminescence processes. If successful, this technology could be exploited for the manufacture of more efficient organic light-emitting diodes (OLEDs) made of only light elements for multiple daily applications, thus contributing to the rise of a sustainable electronic industry and energy savings worldwide. Computational and theoretical studies have fostered the design of these all-organic molecular emitters by disclosing helpful structure–property relationships and/or analyzing the physical origin of this mechanism. However, as the field advances further, some limitations have also appeared, particularly affecting TD-DFT calculations, which have prompted the use of a variety of methods at the molecular scale in recent years. Herein we try to provide a guide for beginners, after summarizing the current state-of-the-art of the most employed theoretical methods focusing on the singlet–triplet energy difference, with the additional aim of motivating complementary studies revealing the stronger and weaker aspects of computational modelling for this cutting-edge technology.Computational resources were provided by: (i) the University of Alicante under Grant No. VIGROB-108; and (ii) the Consortium des Équipements de Calcul Intensif (CÉCI), funded by the Fonds de la Recherche Scientifiques de Belgique (F.R.S.-FNRS) under Grant No. 2.5020.11

Molecular Dynamics Simulations for Genetic Interpretation in Protein Coding Regions: Where we Are, Where to Go and When

The increasing ease with which massive genetic information can be obtained from patients or healthy individuals has stimulated the development of interpretive bioinformatics tools as aids in clinical practice. Most such tools analyze evolutionary information and simple physical–chemical properties to predict whether replacement of one amino acid residue with another will be tolerated or cause disease. Those approaches achieve up to 80–85% accuracy as binary classifiers (neutral/pathogenic). As such accuracy is insufficient for medical decision to be based on, and it does not appear to be increasing, more precise methods, such as full-atom molecular dynamics (MD) simulations in explicit solvent, are also discussed. Then, to describe the goal of interpreting human genetic variations at large scale through MD simulations, we restrictively refer to all possible protein variants carrying single-amino-acid substitutions arising from single-nucleotide variations as the human variome. We calculate its size and develop a simple model that allows calculating the simulation time needed to have a 0.99 probability of observing unfolding events of any unstable variant. The knowledge of that time enables performing a binary classification of the variants (stable-potentially neutral/unstable-pathogenic). Our model indicates that the human variome cannot be simulated with present computing capabilities. However, if they continue to increase as per Moore’s law, it could be simulated (at 65°C) spending only 3 years in the task if we started in 2031. The simulation of individual protein variomes is achievable in short times starting at present. International coordination seems appropriate to embark upon massive MD simulations of protein variants

Chaperonas farmacológicas en fenilcetonuria: estudio del desplegamiento de la enzima PAH e identificación de compuestos con propiedades farmacológicas

La fenilcetonuria (PKU) es una enfermedad rara congénita del metabolismo del aminoácido Phe que tiene una herencia autosómica recesiva y está causada por mutaciones en el gen que codifica la enzima humana fenilalanina hidroxilasa (PAH). Estas mutaciones de la proteína provocan una actividad deficiente de la enzima PAH dando lugar a la acumulación de Phe en el organismo a niveles neurotóxicos. La detección precoz de la enfermedad y el seguimiento de una dieta estricta pobre en Phe previenen los daños más graves de la enfermedad. A pesar del éxito de estas medidas, en algunos pacientes se observa una baja adherencia al régimen dietético prescrito debido a las importantes cargas sociales y económicas que conlleva y se han presentado déficits neurocognitivos. La necesidad de nuevas estrategias terapéuticas que incidan en una mejora en la calidad de vida de los pacientes ha motivado numerosas investigaciones a lo largo de estas décadas fructificando en dos nuevas terapias disponibles para pacientes de PKU: el fármaco Kuvan® (formulación sintética del cofactor) o las inyecciones con PEG-PAL. Ninguno de estos tratamientos son útiles o seguros para todos los pacientes PKU, por lo que se siguen estudiando nuevas aproximaciones que complementen o sustituyan las terapias ya existentes. Entre ellas, una de las aproximaciones más prometedoras es el uso de chaperonas farmacológicas. Éstas son compuestos químicos de bajo peso molecular que se unen de manera específica al estado nativo de la proteína inestable, permitiendo la estabilización de la proteína y, por tanto, recuperando su función fisiológica. Bajo este contexto, se ha desarrollado el trabajo de esta tesis doctoral. En ella, se recogen los resultados del estudio del desplegamiento de la enzima PAH monitorizado mediante distintas técnicas biofísicas y de la identificación y la evaluación de una serie de compuestos con potencial como futuras chaperonas farmacológicas. La enzima PAH tiene varios dominios estructurales y se encuentra como homotetrámero en su forma oligomérica funcional. En la actual tesis, se ha estudiado el desplegamiento químico y térmico de la forma completa de la enzima y una forma doblemente truncada de la misma. Los intermediarios de desplegamiento poblados en ambos desplegamientos parecen ser diferentes. Además, el estudio del desplegamiento térmico permite establecer una recomendación útil a la hora de seleccionar compuestos en cribados masivos experimentales basados en ensayos de fluorimetría diferencial de barrido.Por otro lado, se han identificado nuevas moléculas con efecto termoestabilizador in vitro de PAH mediante tres metodologías distintas: diseño racional de compuestos de segunda generación de una chaperona previamente identificada en el grupo, cribado masivo experimental y reposicionamiento de fármacos. Además, se ha evaluado la toxicidad y el efecto rescatador de la actividad enzimática PAH de los compuestos en células. Algunos compuestos identificados muestran un notable efecto rescatador de la actividad enzimática en las distintas variantes patológicas de PAH evaluadas en células. Estos compuestos podrían presentar un comportamiento de chaperona farmacológica canónica o actuar, además, mediante otros mecanismos de acción. El efecto celular de los compuestos en la actividad de PAH difiere del mostrado por el cofactor e indica que es posible personalizar el tratamiento farmacológico en función de la variante PKU expresada. Estos compuestos, previo estudio in vivo de eficacia y toxicidad en modelos animales de la enfermedad, podrían ofrecer nuevas posibilidades terapéuticas a los pacientes de esta enfermedad que complementen o sustituyan las terapias existentes. <br /

Estudio Computacional del mecanismo de unión-disociación de la flavodoxina de Helicobacter pylori y su ligando

Helicobacter pilori es una bacteria que coloniza el epitelio gástrico con una alta prevalencia. Su infección no suele producir trastornos, pero cuando lo hace abarcan desde gastritis y úlceras gastricas hasta cancer de estómago. La aparición de resistencias a antibióticos hace del desarrollo de nuevos fármacos una empresa necesaria. La flavodoxina de H pylori es crucial para la supervivencia del microorganismo y tiene particularidades estructurales que la distinguen de otras flavodoxinas, convirtiendo a esta proteína en una diana terapéutica muy interesante. Este trabajo busca complementar las investigaciones previas realizadas in vitro con anterioridad utilizando métodos computacionales para aportar luz acerca del mecanismo de unión-disociación del cofactor con la proteína

Combate de las resistencias asociadas a Helicobacter pylori: síntesis y evaluación in vivo de nuevos antimicrobianos contra dianas específicas de la bacteria

Helicobacter pylori (H. pylori) establece la infección bacteriana más prevalente en todo el mundo mediante la colonización de la mucosa gástrica de los humanos. La creciente resistencia de esta bacteria a los antimicrobianos genéricos utilizados en el tratamiento de dicha infección ha reducido considerablemente su eficacia en la erradicación de la misma y, por tanto, en el combate de las enfermedades asociadas, que pueden ir desde gastritis crónica hasta úlceras pépticas, adenocarcinoma gástrico o linfoma del tejido linfoide asociado a la mucosa gástrica. Esto ha propiciado la búsqueda de tratamientos alternativos dirigidos contra dianas específicas de H. pylori tales como su flavodoxina, una pequeña proteína redox que participa en una reacción metabólica esencial para la viabilidad bacteriana. Estudios previos del grupo de investigación en el que se ha llevado a cabo la presente tesis doctoral permitieron caracterizar la flavodoxina de H. pylori e identificar, a través de un cribado experimental, varios inhibidores de la misma, cuya derivatización condujo al desarrollo de algunos compuestos con mayor capacidad bactericida frente a H. pylori. La actual tesis doctoral constituye la continuación de este trabajo, teniendo como finalidad contribuir al combate de esta insidiosa infección mediante el desarrollo de nuevos antimicrobianos selectivos. De esta manera, se han diseñado y sintetizado nuevas variantes redox de los inhibidores de la flavodoxina de H. pylori identificados en trabajos anteriores del grupo, algunos de los cuales han demostrado ser capaces de inhibir el crecimiento de varias cepas clínicas H. pylori resistentes a antibióticos genéricos, así como de reducir la colonización gástrica e incluso erradicar la infección en ratones infectados por esta bacteria. La derivatización de los mismos ha permitido incrementar su solubilidad acuosa, mejorando así su estabilidad metabólica y sus propiedades farmacocinéticas. Por otro lado, el estudio de la actividad antimicrobiana de estas sustancias frente a un panel de bacterias pertenecientes a diferentes filos ha probado su selectividad por H. pylori. Pese a que el mecanismo de acción in vivo de esta serie de compuestos todavía necesita ser esclarecido, se ha demostrado que todos ellos se unen a la flavodoxina de H. pylori in vitro, lo que mantiene a esta proteína como su diana más probable. El hecho de que ninguna de estas moléculas se vea afectada significativamente por sistemas de eflujo, al menos en cepas de H. pylori sensibles a los mismos, junto con la aparentemente limitada capacidad de esta bacteria de desarrollar resistencia frente a dichos compuestos, respalda su utilidad para combatir la creciente resistencia de esta bacteria a los antibióticos de uso habitual y para limitar el desarrollo de nuevas resistencias, algo que también podría lograrse mediante el uso combinado de los mismos con otros fármacos. De hecho, dado que algunas de estas sustancias muestran un efecto sinérgico cuando se combinan con rabeprazol, el uso de estos compuestos en terapias contra H. pylori que contengan dicho inhibidor de la bomba de protones podría incrementar la eficacia de las mismas. Todos estos resultados enfatizan el potencial farmacológico de los compuestos sintetizados en este trabajo de investigación, los cuales, si bien necesitan ser estudiados en mayor profundidad, podrían constituir una opción terapéutica alternativa en el combate de la creciente resistencia asociada a H. pylori.<br /

Estabilidad e interacciones del dominio de unión del receptor de LDL

El receptor de lipoproteínas de baja densidad (rLDL) es una proteína de membrana que juega un papel crucial en el mantenimiento de concentraciones adecuadas de colesterol en el organismo. Su disfunción se asocia con la aparición de Hipercolesterolemia Familiar (HF), una enfermedad común caracterizada por altos niveles de colesterol en los vasos sanguíneos. El mecanismo por el cual el receptor lleva a cabo la internalización de las lipoproteínas a las células y su posterior liberación en los endosomas sigue siendo hoy en día de gran interés para entender en segundo lugar disfunciones del receptor asociadas a HF. Entre los distintos dominios del receptor, se encuentra el dominio de unión a ligando, compuesto a su vez por 7 repeticiones homólogas de unos 40 aminoácidos, conocidas como módulos LR (1-7) de los cuales los números 4 y 5 son los directamente implicados en la unión con las lipoproteínas. Todos ellos requieren la presencia de Ca2+ para adoptar una conformación estable y mantener a las LDL unidas. En este trabajo se expone un estudio de las propiedades del módulo 4 y el tándem 4-5 con objeto de estudiar sus diferencias conformacionales en presencia y ausencia de Ca2+ y Mg2+ tanto en condiciones extracelulares (pH 7) como endosomales (pH 5.5), donde se produce la liberación. Entre los estudios llevados a cabo en este trabajo, se encuentran en su mayoría ensayos cinéticos de asociación y disociación, realizado mediante el sistema de flujo detenido, de los módulos LR4 y LR5 con Ca2+y Mg2+en ambas condiciones que en algunos casos se complementan con otras técnicas termodinámicas. Por otro lado, en el trabajo también se lleva a cabo la purificación y una caracterización espectroscópica preliminar del dominio de unión a ligando completo LR (1-7)

Negative Singlet–Triplet Excitation Energy Gap in Triangle-Shaped Molecular Emitters for Efficient Triplet Harvesting

The full harvesting of both singlet and triplet excitons can pave the way toward more efficient molecular light-emission mechanisms (i.e., TADF or thermally activated delayed fluorescence) beyond the spin statistics limit. This TADF mechanism benefits from low (but typically positive) singlet–triplet energy gaps or ΔEST. Recent research has suggested the possibility of inverting the order of the energy of lowest singlet and triplet excited states, thus opening new pathways to promote light emission without any energy barrier through triplet to singlet conversion, which is systematically investigated here by means of theoretical methods. To this end, we have selected a set of heteroatom-substituted triangle-shaped molecules (or triangulenes) for which ΔEST < 0 is predicted. We successfully rationalize the origin of that energy inversion and the reasons for which theoretical methods might produce qualitatively inconsistent predictions depending on how they treat n-tuple excitations (e.g., the large contribution of double excitations for all of the ground and excited states involved). Unfortunately, the time-dependent density functional theory method is unable to deal with the physical effects driving this behavior, which prompted us to use more sophisticated ab initio methods here such as SA-CASSCF, SC-NEVPT2, SCS-CC2, and SCS-ADC(2).J.C.S.G. acknowledges financial support from the “Ministerio de Ciencia e Innovación” of Spain (Grant no. PID2019-106114GB-I00). Computational resources were also provided by the “Consortium des Équipements de Calcul Intensif” (CÉCI), funded by the “Fonds de la Recherche Scientifiques de Belgique” (F.R.S.-FNRS) under Grant no. 2.5020.11. J.S.-R. acknowledges the University of Alicante for Grant no. AII2019-19. G.R. is grateful for the funding provided by the University of Namur

Refinando el análisis de estabilidad y cinético del desplegamiento de proteínas a partir de simulaciones de dinámica molecular

In the present study, a method for detecting protein unfolding events and evaluating protein stability and kinetics from relaxation Molecular Dynamics (rMD) simulations has been fine tuned. In particular, a 2D root mean square deviation (RMSD)-based clustering was performed on trajectories generated by rMD simulations for the protein α3D under a broad range of temperatures and two different force fields: CHARMM27 and AMBER99SB-disp. The half-life of unfolding was measured from the clustering plots and its value was used to compute the conformational stability of the protein extrapolated at 298 K by means of an empirical model previously developed by the research group. Ladder- and ramp-based temperature scanning simulations were also explored to assess the optimum simulation approach in terms of computational resources, accuracy, and adequacy for the kind of protein stability and unfolding kinetics analyses here envisioned. Furthermore, the performance (accuracy and reliability) of the above-mentioned force fields was assessed in estimating protein stability.<br /