Sintesi di amminoacidi modificati con carbonili reattivi in silico per valutare gli effetti strutturali utilizzando simulazioni di dinamica molecolare

Nella costante ricerca della comprensione del comportamento molecolare delle proteine con modificazioni ossidative, la chimica computazionale è diventata un pilastro fondamentale nell’ampio campo della ricerca scientifica. Questo si basa sull’uso di modelli teorici in grado di interpretare i fenomeni fisici nei sistemi elettronici, utilizzando equazioni matematiche per descrivere il comportamento atomico delle molecole. All’interno di questo panorama, le simulazioni computazionali di proteine si distinguono come strumenti cruciali per analizzare il comportamento atomico dei sistemi molecolari. Sulla base della valutazione del comportamento strutturale, dei calcoli energetici e degli stati conformazionali¹, questi metodi diventano alleati strategici per prevedere il comportamento dei sistemi biomolecolari.

Queste simulazioni sono specializzate nello studio dei cambiamenti strutturali e nella valutazione della perdita o dell’aumento delle funzioni biologiche nei sistemi proteici. Tuttavia, gli approcci computazionali hanno mostrato limitazioni significative quando applicati a sistemi proteici contenenti residui modificati formati da modifiche post-traduzionali covalenti nella sequenza. Questo perché molti metodi disponibili mancano di risorse con parametri adattabili a campi di forza compatibili con i più comuni pacchetti di programmi per simulazioni di dinamica molecolare delle proteine 2,3,4,5,6. Pertanto, la standardizzazione dei parametri adattivi del campo di forza compatibili con il software computazionale è essenziale per facilitare l’accoppiamento preciso di topologie e coordinate atomiche con l’equazione che governa l’energia potenziale del sistema⁷.

In risposta a queste sfide, è stato sviluppato un protocollo adattabile a nuovi residui di amminoacidi modificati con aldeidi derivate dalla perossidazione lipidica utilizzando metodi ab initio . In questo senso, l’ottimizzazione della geometria strutturale dei nuovi residui consente l’assegnazione di cariche adattative a nuovi parametri di legame, angolo e diedro che possono essere eseguiti in campi di forza generali come l’AMBER. La successiva validazione di questi parametri permette di determinare la consistenza e la robustezza del metodo applicabile alle simulazioni di dinamica molecolare.

Uno dei notevoli punti di forza di questo metodo risiede nella sua capacità di adattarsi a diverse modifiche post-traduzionali, dalla carbonilazione alla fosforilazione, all’acetilazione e alla metilazione, tra le altre. Questa versatilità non si limita solo ai sistemi proteici, ma si estende alle strutture macromolecolari, consentendo l’accoppiamento con topologie atomiche e coordinate. Al contrario, studi precedenti rivelano che la parametrizzazione standard delle modifiche post-traduzionali è adatta solo a un tipo specifico di modifica e può essere ottenuta solo da repository pubblicati, privi della capacità di creare nuove strutture⁸.

Attualmente, le sfide nella previsione e nella progettazione della struttura delle proteine stanno diventando più evidenti quando si modellano strutture con modifiche post-traduzionali. La scarsità di parametri che descrivono le alterazioni in specifici siti di amminoacidi sottolinea l’urgente necessità di sviluppare e applicare metodi computazionali che possano essere adattati a parametrizzazioni standard. Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire una via per la costruzione in silico di nuovi parametri per amminoacidi modificati covalentemente con specie carboniliche reattive derivate dall’ossidazione degli acidi grassi. Questi amminoacidi modificati sono riconosciuti dal campo di forza ambrato generale (GAFF) e possono, quindi, essere utilizzati per valutare in silico gli effetti strutturali e funzionali che questo tipo di carbonilazione ha sulle loro proteine bersaglio.