Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6444.pdf: 3522778 bytes, checksum: e657a2294785a690eced6ba83c6225fa (MD5) Previous issue date: 2014-08-28 / In this work the crystal structures of two 3 (phenoxymethyl)-4-phenylbut-3-en-ones were determined and the resulting 3D strutures were used as input for docking studies in the lethal factor (LF) of bacillus anthracis. The results were then compared with those of a known inhibitor.(3E)-3-(4-nitrophenoxymethyl)-4- phenylbut-3-en-2-one (1): the conformation about the C═C double bond [1.348 (2) Å] is E with the ketone group almost co-planar [C C C C torsion angle = 7.2 (2)°] but the phenyl group twisted away [C C C C =160.93 (17)°]. The terminal aromatic rings are almost perpendicular to each other [dihedral angle = 81.61 (9)°] giving themolecule an overall U-shape. The crystal packing feature benzene-C H O (aldehyde) contacts that lead to supramolecular helical chains along the b axis. These are connected by π π interactions between benzene and phenyl rings [inter-centroid distance = 3.6648 (14) Å] resulting in the formation of a supramolecular layer in the bc plane.(3E)-3-(2,4-dinitrophenoxymethyl)-4-phenylbut- 3-en-2-one (2): the conformation about the C=C double bond [1.345 (2) Å] is E, with the ketonemoiety almost coplanar [C C C C torsion angle = 9.5(2) °] along with the phenyl ring [C C C C = 5.9 (2) °]. The aromatic rings are almost perpendicular to each other [dihedral angle = 86.66 (7) °]. The 4-nitro moiety is approximately coplanar with the benzene ring to which it is attached [O N C C = 4.2 (2) °], whereas the one in the ortho position is twisted [O N C C = 138.28 (13) °]. The molecules associate via C H O interactions, involving both O atoms from the 2-nitro group, to form a helical supramolecular chain along [010]. Nitro nitro N O interactions [2.8461 (19) Å] connect the chains into layers that stack along[001]. The docking results, using as a target the lethal factor (LF) of bacillus anthracis, show that both Compound 1 and 2 located themselves in the same cavity where the known inhibitor is located, and making most of the interactions this last one does with the amino acid residues that are important for the enzyme activity, so that it can be postulated that they can be also inhibitors. Moreover, Compound 1adopts a pose closer to that of the inhibitor whereas Compound 2 is rotated so that an important interaction is missed, this may indicate that this last one can be a less effective inhibitor than Compound 1. / Neste trabalho, as estruturas cristalinas dos dois 3(fenoximetil)-4-fenilbut-3-en-onas foram determinadas e as estruturas 3D resultantes foram utilizadas como entrada para estudos de docking no fator letal (LF) do bacillus anthracis. Os resultados foram comparados com os de um inibidor conhecido (3E)-3-(4-nitrofenoximetil)-4- fenilbut-3-en-2-ona(1): a conformação ao redor da ligação dupla C═C[1,348 (2) Â] é E, com o grupo cetona quase co-planar [ângulo de torção C-C-C-C =7,2(2) °], mas o grupo fenila está torcido [C-C-C-C =160,93(17)°]. Os anéis aromáticos terminais estão quase perpendiculares entre eles [ângulo diedro =81,61(9)°], o que dá a molécula a forma de U. O empacotamento cristalino apresenta contatos benzeno- C-H O (cetona) que levam a cadeias supramoleculares helicoidais ao longo do eixo b. Estas por sua vez estão ligadas através de interações π-π entre o benzeno e o anel fenila, [distância inter-centróide = 3,6648(14)Å], resultando na formação de uma camada supramolecular no plano bc (3E)-3-(2,4-dinitrofenoximetil)-4-fenilbut- 3-en-2-ona (2): a conformação em torno da ligação dupla C=C[1,345 (2) Å] é E, com a cetona quase coplanar [ângulo de torção C-C-C-C =9,5(2)°], juntamente com o anel de fenila [C-C-C-C =5,9(2)°]. Os anéis aromáticos estão quase perpendiculares entre si [ângulo diedro =86,66(7)°]. O grupo 4-nitro é aproximadamente coplanar ao anel benzeno ao qual está ligado [S-N-C-C =4,2(2) °], enquanto que o grupo na posição orto está torcido [S-N-C-C =138,28(13)°]. As moléculas se associam através de interações C-H...O, envolvendo ambos os átomos de O do grupo 2-nitro, de modo a formar uma cadeia supramolecular helicoidal ao longo da direção [010]. Interações nitro-nitro N...O [2,8461 (19)Å] unem as cadeias em camadas que se empilham ao longo da direção [001]. Os resultados do docking molecular, utilizando como alvo o fator letal (LF) de bacillus anthracis, mostram que tanto o Composto 1 como o 2, colocaram-se na mesma cavidade que o inibidor conhecido está localizado, e fazem a maior parte das interações que este último faz com os resíduos de aminoácidos, que são importantes para a atividade da enzima, de modo que também podem ser inibidores. Além disso, o Composto 1 adota uma pose mais próxima da do inibidor, ao passo que o Composto 2 está rodado de modo que uma interação importante é perdida, isso pode indicar, que este último, pode ser um inibidor menos eficaz do que o Composto 1.

O antraz é uma doença infecciosa aguda grave, com uma taxa de mortalidade superior a 90% em sua forma respiratória, causada pelo Bacillus anthracis, uma bactéria altamente virulenta, que está desenvolvendo resistência e que tem potencial aplicação como arma biológica e agente de bioterrorismo. Nesse trabalho, a inibição de deidroshikimato desidratase do B. anthracis foi estuda por meio docking, dinâmica molecular e ensemble docking. Essa enzima é responsável por uma etapa chave na biossíntese de petrobactina, molécula através da qual o B. anthracis adquire ferro – micronutriente essencial para seu desenvolvimento e proliferação no hospedeiro. O docking de 25 compostos com ação inibitória conhecida na estrutura cristalográfica da enzima indicou interações importantes com os resíduos His144, His175, Phe211, Tyr217 (ligações de hidrogênio), Arg102 (ponte salina), His144 e Phe255 (interações π-π). Ligantes estruturalmente semelhantes ao cristalográfico (3,4-DHBA) foram docados adequadamente no sítio ativo, enquanto ligantes mais volumosos foram docados na entrada do sítio, resultando em baixa correlação entre as energias livres de ligação experimentais e os escores de docking (R² = 0,1295; R-Pearson = 0,360) e desvios de 23%, em média, frente ao experimental. Simulações de dinâmica molecular mostraram que essa proteína apresenta uma grande rigidez estrutural intrínseca, porém porções do seu sítio ativo, sobretudo da estrutura em forma de laço que o recobre, apresentaram flexibilidade significativa. A presença de ligantes induz a alterações conformacionais que proporcionam o alargamento do sítio e permitem a entrada de ligantes mais volumosos, indicando que o sítio cristalográfico era, de fato, muito restrito. A atividade inibitória aparenta estar relacionada com a formação de uma rede de ligações de hidrogênio entre os ligantes e resíduos do sítio ativo, sendo as principais entre grupos 3-OH do anel aromático dos ligantes e a His175; entre o grupo carboxílico e a Arg102 (ponte salina); entre o grupo 4-OH e a Phe211 e principalmente entre o grupo 5-OH e a His144, um resíduo importante no mecanismo enzimático. O ensemble docking em três estruturas extraídas das simulações de dinâmica molecular permitiu a aprimorar a correlação entre os escores de docking e atividade inibitória experimental, com R² = 0,363 e R-Pearson = 0,602 considerando a totalidade dos ligantes ou com R² = 0,8157 e R-Pearson = 0,903 considerando-se os dez ligantes mais potentes (contra R² = 0,5683 e R-Pearson = 0,754 na estrutura cristalográfica), evidenciando a necessidade de se considerar a flexibilidade do receptor para o docking adequado. Esse modelo linear juntamente com essa compreensão mais profunda dos mecanismos relacionados com a inibição dessa enzima permitirão o desenho e a triagem in silico de novas moléculas com potência e seletividade aprimoradas e com potencial aplicação como uma nova terapia contra o Bacillus anthracis. / Anthrax is a serious acute infectious disease with a mortality rate higher than 90% in its inhalational form. This disease is caused by Bacillus anthracis, a highly virulent bacterium that is developing resistance and which has potential application as a biological weapon and bioterrorism agent. In this work, the inhibition of dehydroshikimate dehydratase from B. anthracis was studied through docking, molecular dynamics and ensemble docking. This enzyme is responsible for a key step in the biosynthetic pathway of petrobactin, a molecule released by B. anthracis to acquire iron, an essential micronutrient for its development and proliferation within the host. Molecular dockings of 25 compounds with known inhibitory activity against dehydroshikimate dehydratase in the crystallographic structure of this enzyme indicated important interactions with the residues His144, His175, Phe211, Tyr217 (hydrogen bonds), Arg102 (salt bridge), His144 and Phe255 (π-π interactions). Ligands structurally similar to the crystallographic (3,4-DHBA) were appropriately docked within the active site, while bulkier ligands were docked at the site's entrance, resulting in a low correlation between the experimental binding free energies and the docking scores (R² = 0,1295; R-Pearson = 0,360), as well as a deviation of 23%, on average, compared to the experimental data. Molecular dynamics simulations showed that this protein has a high structural rigidity, however portions of its active site, especially the loop-like structure that covers it, showed a significant mobility. The presence of ligands induced conformational changes that lead to the widening of the site and allowed bulkier ligands to enter it, what indicates the crystallographic site was, in fact, very restricted. The inhibitory activity appears to be related with the formation of a network of hydrogen bonds between ligands and active site residues, mainly between the 3-OH moiety in the aromatic ring of ligands and His175; between the carboxylic group and Arg102 (salt bridge); between the 4-OH moiety and Phe211 and specially between the 5-OH group and His144, a residue with an important role in the enzymatic mechanism. Ensemble docking with three structures extracted from molecular dynamics simulations allowed to improve the correlation between docking scores and experimental inhibitory activity, with R² = 0,363 and R-Pearson = 0,602, when considering all ligands, and R² = 0,8157 and R-Pearson = 0,903 when considering the ten ligands of higher activity (against the values of R² = 0,5683 and R-Pearson = 0,754 for their docking in the crystallographic structure). This point out the need to account for receptor's flexibility for an appropriate docking. This linear model coupled with this deeper understanding about the mechanisms related with enzymatic inhibition will allow the in silico drug design and screening of new molecules with improved potency and selectivity and with potential application as a new therapy against Bacillus anthracis.

O antraz é uma doença infecciosa aguda grave, com uma taxa de mortalidade superior a 90% em sua forma respiratória, causada pelo Bacillus anthracis, uma bactéria altamente virulenta, que está desenvolvendo resistência e que tem potencial aplicação como arma biológica e agente de bioterrorismo. Nesse trabalho, a inibição de deidroshikimato desidratase do B. anthracis foi estuda por meio docking, dinâmica molecular e ensemble docking. Essa enzima é responsável por uma etapa chave na biossíntese de petrobactina, molécula através da qual o B. anthracis adquire ferro – micronutriente essencial para seu desenvolvimento e proliferação no hospedeiro. O docking de 25 compostos com ação inibitória conhecida na estrutura cristalográfica da enzima indicou interações importantes com os resíduos His144, His175, Phe211, Tyr217 (ligações de hidrogênio), Arg102 (ponte salina), His144 e Phe255 (interações π-π). Ligantes estruturalmente semelhantes ao cristalográfico (3,4-DHBA) foram docados adequadamente no sítio ativo, enquanto ligantes mais volumosos foram docados na entrada do sítio, resultando em baixa correlação entre as energias livres de ligação experimentais e os escores de docking (R² = 0,1295; R-Pearson = 0,360) e desvios de 23%, em média, frente ao experimental. Simulações de dinâmica molecular mostraram que essa proteína apresenta uma grande rigidez estrutural intrínseca, porém porções do seu sítio ativo, sobretudo da estrutura em forma de laço que o recobre, apresentaram flexibilidade significativa. A presença de ligantes induz a alterações conformacionais que proporcionam o alargamento do sítio e permitem a entrada de ligantes mais volumosos, indicando que o sítio cristalográfico era, de fato, muito restrito. A atividade inibitória aparenta estar relacionada com a formação de uma rede de ligações de hidrogênio entre os ligantes e resíduos do sítio ativo, sendo as principais entre grupos 3-OH do anel aromático dos ligantes e a His175; entre o grupo carboxílico e a Arg102 (ponte salina); entre o grupo 4-OH e a Phe211 e principalmente entre o grupo 5-OH e a His144, um resíduo importante no mecanismo enzimático. O ensemble docking em três estruturas extraídas das simulações de dinâmica molecular permitiu a aprimorar a correlação entre os escores de docking e atividade inibitória experimental, com R² = 0,363 e R-Pearson = 0,602 considerando a totalidade dos ligantes ou com R² = 0,8157 e R-Pearson = 0,903 considerando-se os dez ligantes mais potentes (contra R² = 0,5683 e R-Pearson = 0,754 na estrutura cristalográfica), evidenciando a necessidade de se considerar a flexibilidade do receptor para o docking adequado. Esse modelo linear juntamente com essa compreensão mais profunda dos mecanismos relacionados com a inibição dessa enzima permitirão o desenho e a triagem in silico de novas moléculas com potência e seletividade aprimoradas e com potencial aplicação como uma nova terapia contra o Bacillus anthracis. / Anthrax is a serious acute infectious disease with a mortality rate higher than 90% in its inhalational form. This disease is caused by Bacillus anthracis, a highly virulent bacterium that is developing resistance and which has potential application as a biological weapon and bioterrorism agent. In this work, the inhibition of dehydroshikimate dehydratase from B. anthracis was studied through docking, molecular dynamics and ensemble docking. This enzyme is responsible for a key step in the biosynthetic pathway of petrobactin, a molecule released by B. anthracis to acquire iron, an essential micronutrient for its development and proliferation within the host. Molecular dockings of 25 compounds with known inhibitory activity against dehydroshikimate dehydratase in the crystallographic structure of this enzyme indicated important interactions with the residues His144, His175, Phe211, Tyr217 (hydrogen bonds), Arg102 (salt bridge), His144 and Phe255 (π-π interactions). Ligands structurally similar to the crystallographic (3,4-DHBA) were appropriately docked within the active site, while bulkier ligands were docked at the site's entrance, resulting in a low correlation between the experimental binding free energies and the docking scores (R² = 0,1295; R-Pearson = 0,360), as well as a deviation of 23%, on average, compared to the experimental data. Molecular dynamics simulations showed that this protein has a high structural rigidity, however portions of its active site, especially the loop-like structure that covers it, showed a significant mobility. The presence of ligands induced conformational changes that lead to the widening of the site and allowed bulkier ligands to enter it, what indicates the crystallographic site was, in fact, very restricted. The inhibitory activity appears to be related with the formation of a network of hydrogen bonds between ligands and active site residues, mainly between the 3-OH moiety in the aromatic ring of ligands and His175; between the carboxylic group and Arg102 (salt bridge); between the 4-OH moiety and Phe211 and specially between the 5-OH group and His144, a residue with an important role in the enzymatic mechanism. Ensemble docking with three structures extracted from molecular dynamics simulations allowed to improve the correlation between docking scores and experimental inhibitory activity, with R² = 0,363 and R-Pearson = 0,602, when considering all ligands, and R² = 0,8157 and R-Pearson = 0,903 when considering the ten ligands of higher activity (against the values of R² = 0,5683 and R-Pearson = 0,754 for their docking in the crystallographic structure). This point out the need to account for receptor's flexibility for an appropriate docking. This linear model coupled with this deeper understanding about the mechanisms related with enzymatic inhibition will allow the in silico drug design and screening of new molecules with improved potency and selectivity and with potential application as a new therapy against Bacillus anthracis.

O antraz é uma doença infecciosa aguda grave, com uma taxa de mortalidade superior a 90% em sua forma respiratória, causada pelo Bacillus anthracis, uma bactéria altamente virulenta, que está desenvolvendo resistência e que tem potencial aplicação como arma biológica e agente de bioterrorismo. Nesse trabalho, a inibição de deidroshikimato desidratase do B. anthracis foi estuda por meio docking, dinâmica molecular e ensemble docking. Essa enzima é responsável por uma etapa chave na biossíntese de petrobactina, molécula através da qual o B. anthracis adquire ferro – micronutriente essencial para seu desenvolvimento e proliferação no hospedeiro. O docking de 25 compostos com ação inibitória conhecida na estrutura cristalográfica da enzima indicou interações importantes com os resíduos His144, His175, Phe211, Tyr217 (ligações de hidrogênio), Arg102 (ponte salina), His144 e Phe255 (interações π-π). Ligantes estruturalmente semelhantes ao cristalográfico (3,4-DHBA) foram docados adequadamente no sítio ativo, enquanto ligantes mais volumosos foram docados na entrada do sítio, resultando em baixa correlação entre as energias livres de ligação experimentais e os escores de docking (R² = 0,1295; R-Pearson = 0,360) e desvios de 23%, em média, frente ao experimental. Simulações de dinâmica molecular mostraram que essa proteína apresenta uma grande rigidez estrutural intrínseca, porém porções do seu sítio ativo, sobretudo da estrutura em forma de laço que o recobre, apresentaram flexibilidade significativa. A presença de ligantes induz a alterações conformacionais que proporcionam o alargamento do sítio e permitem a entrada de ligantes mais volumosos, indicando que o sítio cristalográfico era, de fato, muito restrito. A atividade inibitória aparenta estar relacionada com a formação de uma rede de ligações de hidrogênio entre os ligantes e resíduos do sítio ativo, sendo as principais entre grupos 3-OH do anel aromático dos ligantes e a His175; entre o grupo carboxílico e a Arg102 (ponte salina); entre o grupo 4-OH e a Phe211 e principalmente entre o grupo 5-OH e a His144, um resíduo importante no mecanismo enzimático. O ensemble docking em três estruturas extraídas das simulações de dinâmica molecular permitiu a aprimorar a correlação entre os escores de docking e atividade inibitória experimental, com R² = 0,363 e R-Pearson = 0,602 considerando a totalidade dos ligantes ou com R² = 0,8157 e R-Pearson = 0,903 considerando-se os dez ligantes mais potentes (contra R² = 0,5683 e R-Pearson = 0,754 na estrutura cristalográfica), evidenciando a necessidade de se considerar a flexibilidade do receptor para o docking adequado. Esse modelo linear juntamente com essa compreensão mais profunda dos mecanismos relacionados com a inibição dessa enzima permitirão o desenho e a triagem in silico de novas moléculas com potência e seletividade aprimoradas e com potencial aplicação como uma nova terapia contra o Bacillus anthracis. / Anthrax is a serious acute infectious disease with a mortality rate higher than 90% in its inhalational form. This disease is caused by Bacillus anthracis, a highly virulent bacterium that is developing resistance and which has potential application as a biological weapon and bioterrorism agent. In this work, the inhibition of dehydroshikimate dehydratase from B. anthracis was studied through docking, molecular dynamics and ensemble docking. This enzyme is responsible for a key step in the biosynthetic pathway of petrobactin, a molecule released by B. anthracis to acquire iron, an essential micronutrient for its development and proliferation within the host. Molecular dockings of 25 compounds with known inhibitory activity against dehydroshikimate dehydratase in the crystallographic structure of this enzyme indicated important interactions with the residues His144, His175, Phe211, Tyr217 (hydrogen bonds), Arg102 (salt bridge), His144 and Phe255 (π-π interactions). Ligands structurally similar to the crystallographic (3,4-DHBA) were appropriately docked within the active site, while bulkier ligands were docked at the site's entrance, resulting in a low correlation between the experimental binding free energies and the docking scores (R² = 0,1295; R-Pearson = 0,360), as well as a deviation of 23%, on average, compared to the experimental data. Molecular dynamics simulations showed that this protein has a high structural rigidity, however portions of its active site, especially the loop-like structure that covers it, showed a significant mobility. The presence of ligands induced conformational changes that lead to the widening of the site and allowed bulkier ligands to enter it, what indicates the crystallographic site was, in fact, very restricted. The inhibitory activity appears to be related with the formation of a network of hydrogen bonds between ligands and active site residues, mainly between the 3-OH moiety in the aromatic ring of ligands and His175; between the carboxylic group and Arg102 (salt bridge); between the 4-OH moiety and Phe211 and specially between the 5-OH group and His144, a residue with an important role in the enzymatic mechanism. Ensemble docking with three structures extracted from molecular dynamics simulations allowed to improve the correlation between docking scores and experimental inhibitory activity, with R² = 0,363 and R-Pearson = 0,602, when considering all ligands, and R² = 0,8157 and R-Pearson = 0,903 when considering the ten ligands of higher activity (against the values of R² = 0,5683 and R-Pearson = 0,754 for their docking in the crystallographic structure). This point out the need to account for receptor's flexibility for an appropriate docking. This linear model coupled with this deeper understanding about the mechanisms related with enzymatic inhibition will allow the in silico drug design and screening of new molecules with improved potency and selectivity and with potential application as a new therapy against Bacillus anthracis.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3802.pdf: 4112819 bytes, checksum: e42717f19397f311cb6978ed3341685c (MD5) Previous issue date: 2010-10-29 / For centuries, infectious agents have been used as weapons in armed conflicts. In 1972 the Biological Weapons Convention prohibited the creation and stockpiling of biological weapons. However, some countries continued to research and develop these weapons. Proof of this fact was the crash in 1979 in a military factory in the USSR, where Bacillus anthracis were dispersed. Biotechnology in a globalizing world facilitates and contributes not only to the development of weapons programs of regular armies, but also to terrorist groups. Examples of such this are the contamination by the bacterium Salmonella typhimurium by a religious fanatic group that in 1984 poisoned 751 people in the U.S., and the bacterium Bacillus anthracis spores mailed in the U.S. to several people during 2001 and 2002, immediately after the attacks of September 11th. A biological weapon is of extreme difficult detection by security equipment. Most infectious agents are present in almost every continent, making it easier to obtain. The production is cheap and it is easy to carry, being a small amount enough to reach very large area and thousands of people. It is an invisible weapon, odorless and causes symptoms unknown to most physicians. So, given this background, in this master thesis we attempt to demonstrate the reality of the threat of a biological weapon based on Anthrax as the biological agent used as a weapon of mass destruction. Based on this study, we show the fragility of the state system for dealing with such incidents, and we propose security protocols in order to regulate what should be done in time of crisis, defining its management and streamline the decision-making. Finally, using the technique of molecular docking, we also studied the lethal factor of anthrax, and proposed the compound 1-Phenylsulfonyl-2-propanone (DARXOJ, C9H10O3S) as a good candidate to inhibit its effects. / Há séculos agentes infecciosos são utilizados como armas em conflitos bélicos. Em 1972 a Convenção sobre Armas Biológicas proibiu a criação e armazenamento de armas biológicas. No entanto alguns países continuaram a pesquisa e o desenvolvimento dessas armas. Prova desse fato foi o acidente em 1979 em uma fábrica militar na URSS, onde foram dispersos esporos de Bacillus anthracis. A Biotecnologia no mundo globalizado facilita e contribui não apenas aos programas de desenvolvimento de armas dos exércitos regulares, mas também aos grupos terroristas. Exemplos disso são a intoxicação pela bactéria Salmonella typhimurium por um grupo fanático religioso que em 1984, nos EUA, intoxicou 751 pessoas, e os esporos da bactéria Bacillus anthracis enviados pelo correio para várias pessoas em 2001 e 2002, imediatamente após os atentados de 11 de setembro nos EUA. Uma arma biológica é muito difícil de ser detectada por equipamento de segurança. A maioria dos agentes infecciosos está presente em quase todos os continentes, o que facilita a sua obtenção. A produção é barata e simples de transportar, podendo atingir com pequena quantidade área muito grande e milhares de pessoas. É uma arma invisível, inodora e que provoca sintomas desconhecidos pela maioria dos médicos. Em face desse panorama, neste trabalho procuramos demonstrar a realidade da ameaça de uma arma biológica e elegemos o Antraz como agente biológico utilizado como arma de destruição em massa. Neste estudo, mostramos a fragilidade do sistema estatal para lidar com este tipo de incidente, e propomos protocolos de segurança com o objetivo de regular os procedimentos no momento de crise, definindo o gerenciamento para melhorar e otimizar as tomadas de decisões. Finalmente, por meio do uso da técnica de docking molecular, também estudamos o fator letal do Antraz, e propusemos o composto 1-Fenilsulfonil-2-propanona (DARXOJ, C9H10O3S) como um bom candidato a inibir os seus efeitos.