As enzimas diidroorotato desidrogenases (DHODHs) são flavo-enzimas que catalisam a oxidação do diidroorotato em orotato na quarta etapa da biossíntese de novo de nucleotídeos de pirimidina. Durante a rápida proliferação celular em mamíferos, a via de salvação de pirimidinas é insuficiente para suprir deficiências na síntese de nucleotídeos. Além disso, certos parasitas não possuem a via de salvação e contam somente com a biossíntese de novo para a produção de nucleotídeos. Por esta razão, DHODH se tornou um excelente alvo na busca por inibidores que interrompam a síntese de nucleotídeos. As enzimas DHODHs de E. coli (EcDHODH) e de X. fastidiosa (XfDHODH) são membros da classe 2 das DHODHs e encontram-se associadas à membrana citoplasmática através de uma extensão em seu N-terminal, enquanto que DHODH de T. cruzi (TcDHODH), membro da classe 1 de DHODHs, é uma proteína citosólica. Neste trabalho, usamos uma combinação de metodologias de biologia molecular e bioquímica com técnicas espectroscópicas para obter informações estruturais e funcionais acerca da enzima DHODH. Assim, Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) associada à marcação de spin sítio dirigida (SDSL) e simulação espectral foram empregadas para estudar a interação da EcDHODH com modelos de membrana. Mudanças na dinâmica estrutural das vesículas induzidas pela enzima foram monitoradas via marcadores de spin localizados em diferentes posições ao longo da cadeia acil de fosfolipídios. Além disso, técnicas de DNA recombinante e mutações sítio dirigidas foram utilizadas para produzir mutantes de EcDHODH no qual um sondas paramagnéticas foram seletivamente ligadas em resíduos localizados na extensão N-terminal da proteína para experimentos subseqüentes de RPE-SDSL. Esses são os primeiros experimentos de marcação de spin sítio dirigida realizados no Brasil e com os quais monitoramos a dinâmica experimentada na região do N-terminal. Além disso, várias tentativas foram feitas para se expressar e purificar a enzima XfDHODH e a estabilidade estrutural da enzima TcDHODH na presença de um de seus inibidores naturais, o orotato, foi monitorada através de experimentos de Dicroísmo Circular (CD). / Dihydroorotate dehydrogenases (DHODHs) are flavin-containing enzymes which catalyse the conversion of (S)-dihydroorotate to orotate, in the fourth step of the de novo biosynthesis of pyrimidine nucleotides. In rapidly proliferating mammalian cells, pyrimidine salvage pathway is insufficient to overcome deficiencies for nucleotide synthesis. Moreover certain parasites lack salvage enzymes, relying solely on the de novo pathway to produce nucleotides. Thus, DHODH has turned out an excellent target to the development of inhibitors that block nucleotide biosynthesis. E. coli DHODH (EcDHODH) and X. fastidiosa DHODH (XfDHODH) are class 2 DHODHs found associated to cytosolic membranes through an N-terminal extension, whereas T. cruzi DHODH (TcDHODH) is a class 1 DHODH localizated in the cytoplasm. In the present work, we used a combination of molecular biology and biochemical methodologies with spectroscopic techniques to obtain structural and functional information on DHODH. On one hand, Electronic Paramagnetic Resonance (EPR) associated with Site-directed Spin Labeling (SDSL) and spectral simulation were employed to study the interaction of EcDHODH with vesicles. Changes in vesicle dynamic structure induced by the enzyme were monitored via spin labels located at different positions along the phospholipid acyl chain and via spin labels located at enzyme specific positions. On the other hand, DNA techniques and site-directed mutagenesis were used to produce mutants of EcDHODH where a nitroxide spin probe was selectively attached to some residues located at the protein N-terminal extension for subsequent EPR-SDSL experiments. These are the first site-directed spin labeling experiments performed in Brazil and the spectra allowed us to monitor dynamics experienced by those residues at the EcDHODH N-terminal domain. Furthermore, molecular biology and biochemical assays were employed with the objective of expressing and purifying XfDHODH and Circular Dichroism (CD) was utilized to probe the structural stability of TcDHODH in the presence of its natural inhibitor (orotate).

A enzima diidroorotato desidrogenase (DHODH) catalisa a conversão de diidroorotato em orotato, a quarta e única reação redox da via metabólica da síntese de novo de nucleotídeos de pirimidina. DHODH tem sido explorada como alvo validado para terapias contra doenças proliferativas e parasitárias e, em particular, tem sido considerada um alvo atraente para o planejamento de fármacos com ação contra tripanossomatídeos, como parasitos dos gêneros Trypanosoma e Leishmania, que conjuntamente são responsáveis por doenças e mortes que acometem milhões de pessoas em todo o mundo. Neste trabalho, através da combinação de técnicas de DNA recombinante, termofluor, cristalografia de raios-X e ensaios de inibição in vitro e in silico, foi possível identificar sítios alvos na estrutura da DHODH para o desenvolvimento de ligantes, identificar inibidores potentes e seletivos contra as DHODHs de Leishmania major e Trypanosoma cruzi e, caracterizar seus mecanismos de inibição. Finalmente, o efeito leishmanicida observado em nossos ensaios anti-promastigota e os baixos níveis de citotoxicidade observados em células de mamíferos sugerem que alguns dos compostos identificados durante o desenvolvimento deste projeto como potentes inibidores da enzima DHODH poderão ser utilizados como protótipos para o desenvolvimento de fármacos com ação leishmanicida e tripanocida. Combinados, nossos resultados forneceram uma nova e importante contribuição para a compreensão do mecanismo de ação das enzimas DHODH da classe 1A e para o desenho de fármacos baseado nas estruturas das enzimas diidroorotato desidrogenase de Leishmania major e Trypanosoma cruzi. Além disso, a alta identidade sequencial e estrutural observada entre as enzimas de tripanossomatídeos sugerem que uma única estratégia para o desenho de inibidores baseado em estrutura poderá ser usada para explorar a enzima DHODH como alvo terapêutico para várias doenças negligenciadas tropicais como Leishmaniose, Doença do sono e Doença de Chagas / Dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) catalyses the conversion of dihydroorote to orotate, the fourth step and only redox reaction in the de novo pyrimidine biosynthetic pathway. DHODH has been exploited as a validated target for therapy against proliferative and parasitic diseases, and in particular, has been considered to be an attractive target for drug development against trypanosomatids, such as parasites from the genera Leishmania and Trypanosoma that collectively cause disease and death in millions of humans. In this work, by combining recombinant DNA technology, thermofluor, X-ray crystallography and in vitro and in silico inhibition assays, we have been able to identify target sites for ligand design, identify potent and selective inhibitors against trypanosomatid DHODHs and fully characterize their mechanism of inibition. Finally, the anti-leishmanial effect observed in our anti-promastigote assays and the low citotoxicity levels observed against mammaliam cells strongly suggest that some of the compounds identified during the development of this project as potent DHODH inhibitors can be used as prototytes for the development of anti-leishmania and anti-trypanosoma drugs. Altogether, our findings provide a new and important contribution to the understanding of the mechanism of action of class 1A DHODHs and for the structure-assisted design of inhibitors against trypanosomatid DHODHs. Furthermore, the high sequence and structural similarity observed among trypanosomatid DHODH suggest that a single strategy of structure-based inhibitor design can be used to exploit DHODH as a druggable target against multiple neglected tropical diseases such as Leishmaniasis, Sleeping Sickness and Chagas\' Disease.

A Doença de Chagas, causada pelo parasito tripanossomatídeo Trypanosoma cruzi, é endêmica e se distribuí por toda América Latina. É uma das parasitoses mais negligenciadas pela indústria farmacêutica e os únicos fármacos disponíveis para seu tratamento foram introduzidos há décadas. Infelizmente, eles são ineficientes e apresentam sérios efeitos colaterais. Esse panorama mostra a necessidade do desenvolvimento de novos fármacos para a quimioterapia contra a doença de Chagas. As enzimas pertencentes a vias metabólicas essenciais para a sobrevivência do parasito tais como a via glicolítica e a de síntese de novo de nucleotídeos de pirimidinas, têm sido propostas como alvos interessantes no planejamento novos fármacos para o tratamento da doença de Chagas. Neste trabalho, as enzimas Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (TcGAPDH) e a Diidroorotato desidrogenase (TcDHODH) de Trypanosoma cruzi foram estudadas como alvos para o planejamento de inibidores enzimáticos com propriedades físico-químicas e características estruturais similares à de compostos-líderes. Para isso, foram utilizados métodos e ferramentas de Quiminformática tanto baseadas nas estruturas dos ligantes (LBVS) quanto dos receptores (SBVS). Para a identificação e seleção de potenciais inibidores da enzima GAPDH, uma coleção virtual obtida do banco de dados ZINC, contendo aproximadamente 2,5 milhões de compostos, foi avaliada através de vários filtros de seleção com o objetivo de priorizar aqueles compostos mais interessantes do ponto de vista estrutural, de propriedades físico-químicas e farmacocinéticas. A aplicação desses filtros originou uma subcoleção de aproximadamente 450 mil estruturas que foram avaliadas segundo a complementaridade de interações com a estrutura da enzima através de métodos de docagem molecular. Com base nestes resultados, doze compostos que se mostraram promissores foram selecionados e adquiridos comercialmente para serem testadas in vitro contra a enzima TcGAPDH. Dos doze compostos testados, três exibiram afinidade (Ki) pela enzima em concentrações inferiores a 80 μM, Além disso, esses compostos também são caracterizados pelo baixo peso molecular (274 a 330 g mol-1) e no máximo 24 átomos diferentes do hidrogênio e, como consequência, apresentam eficiências do ligante entre 0,24 e 0,34 Kcal mol-1 átomo-1, o que os tornam ótimos candidatos à otimização molecular visando aumento da afinidade pelo alvo. Para a busca de inibidores da enzima TcDHODH, primeiramente foi realizada uma busca por cavidades na estrutura 3D do alvo para a identificação de regiões distintas do sítio catalítico e passíveis de serem exploradas no planejamento de ligantes. Através desta análise foi possível o estabelecimento de quatro novas regiões com forma, volume e localizações adequadas para acomodar pequenas moléculas capazes de modular a atividade da TcDHODH. Uma destas regiões, chamada S2, localizada sob a alça β4-αA e no canal de acesso dos substratos ao sítio ativo, foi escolhida para o planejamento baseado na estrutura do alvo. As estruturas de aproximadamente cem compostos derivados de pirimidinas, substituídos em posições estrategicamente definidas e selecionados através de buscas por subestruturas, foram docadas no sítio de interesse e nove compostos adquiridos e testados in vitro contra a enzima com o objetivo de validar as hipóteses estabelecidas inicialmente. Destes, cinco compostos mostraram potências (IC50) superiores à do produto de reação (inferior a 150 μM), Os resultados encontrados validaram as hipóteses geradas na primeira etapa e foram usados para direcionar a seleção de outras quinze novas moléculas através de um protocolo de docagem molecular com ajuste induzido. A avaliação in vitro desses compostos contra a enzima TcDHODH resultou na identificação de outros 11 compostos ativos, dos quais o mais potente exibiu afinidade pela enzima em concentração igual a 124 nM. Este composto possui eficiência do ligante igual a 0,56 Kcal mol-1 átomo-1 e pode ser considerado um fragmento molecular com excelentes características do ponto de vista do potencial para futuro desenvolvimento como agente terapêutico. Os resultados encontrados também evidenciaram a importância de determinadas características estruturais impressas nos inibidores da TcDHODH para a complementaridade com o novo sítio de interação identificado. Assim, novos compostos foram propostos para otimização molecular com o objetivo de melhorar afinidade e aumentar a diversidade de classes e, deste modo, ampliar o espectro de perfis farmacocinéticos para posteriores ensaios celulares e in vivo, Através da realização deste trabalho foi possível validar as estratégias adotadas na utilização dos métodos computacionais e também as hipóteses construídas a partir da aplicação dos mesmos. A taxa de acerto (TA) alcançada foi superior a 30% no planejamento de inibidores para ambos os alvos, ou seja, muito superiores às encontradas em experimentos de ensaio em massa. Deste modo, este estudo contribuiu com a proposição de novos esqueletos moleculares que podem ser usados como compostos-líderes no desenvolvimento de novos agentes tripanocidas focando nas enzimas TcGAPDH e TcDHODH como alvos. / Chagas\' disease, an endemic illness widely distributed throughout Latin America, is caused by the protozoa parasite Trypanosoma cruzi. It is one of the tropical diseases that are among the most neglected by the pharmaceutical industry, for which available treatments were launched more than 30 years ago. In addition, these drugs are ineffective and cause severe side effects to patients. This panorama shows the need for the development of new and more effective chemotherapeutic agents for the treatment of the disease. Enzymes belonging to metabolic pathways that are essential for the parasite survival such as the glycolysis and pyrimidine nucleotide biosynthesis have been proposed as attractive targets for the design of new drugs for the treatment of Chagas disease. In this work, the enzymes Gyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (TcGAPDH) and the Dihydroorotate dehydrogenase (TcDHODH) from Trypanosoma cruzi were studied as targets for the design of inhibitors with physicochemical properties and structural characteristics similar to lead-compounds. Methods in Cheminformatics within the Ligand- and Structure-based Virtual Screening (LBVS and SBVS, respectively) approaches were thoroughly employed as tools to identify new hits. For the selection and identification of potential inhibitors of the GAPDH enzyme, a compound database containing nearly 2.5 million of small molecules retrievable from ZINC was evaluated through several molecular filters aiming at prioritizing those compounds more interesting from the point of view of their structures, physicochemical and predicted ADME/Tox properties. The application of Filter originated a subcollection of approximately 450 thousand structures that were then scored according to their complementary interactions with the 3D structure of the enzyme through molecular docking. Based on docking results, twelve compounds that showed to be promising ligands were selected and commercially acquired for in vitro assays against the TcGAPDH. Of the twelve compounds evaluated in vitro, three exhibited affinity constants (Ki) at concentrations lower than 80 μM. Furthermore, the selected compounds are also characterized by the low molecular weight (274 to 330 g mol-1) and a maximum of non-hydrogen atom count of 24, as a result, they have Ligand Efficiencies between 0,24 and 0,34 Kcal mol-1 átomo-1, what grant them great potential as candidates for molecular optimization and potency improvement. For the search of TcDHODH inhibitors, cavities in the 3D structure of the target for the identification of areas apart from catalytic site but likely to be explored in the design of ligands were selected a priori. This resulted in four new regions with appropriate shape, volume and locations to accommodate small molecules capable of modulating the activity of TcDHODH. One of the areas, called S2 site, is located under the α4 - βA loop and in the access channel of the substrate to the active site and was chosen to be explored in the SBDD studies. Approximately one hundred of pyrimidine derivatives containing strategically defined posítions for molecular substitution were retrieved from commercially available compounds database through substructure searching and docked into the previously defined site. Based on the docking results nine compounds were selected, purchased and assayed in vitro against the enzyme with the objective of validating the hypothesis. Of these, five compounds showed potencies (IC50) better than that exhibited by the product of the reaction (values lower than 150 μM). Thus, the results found validated the hypotheses generated in the first stage of the designing and they were used to drive the selection of other fifteen new molecules through induced fit molecular docking protocol. The in vitro evaluation of those compounds against the TcDHODH enzyme resulted in the identification of other eleven ligands, of which the most potent exhibited affinity for enzyme at the concentration of 124 nM. This molecule has a Ligand Efficiency of 0.56 Kcal mol-1 atom-1 and can be considered a fragment-like compound with excellent characteristics from the point of view of its potential for future development as therapeutic agent. The results found also evidenced the importance of certain structural characteristics in the inhibitor of TcDHODH for the complementarily with the new identified site of interaction. Thus, new compounds were proposed for potency and class diversity improvement. By doing so we hope to enlarge ADME profile spectrum for further cellular and in vivo assays. Through the success of this work, it was possible to validate the strategies adopted in the use of computational methods and also the hypotheses built from the application of that. The success rate (TA) obtained was higher than 30% in the design of ligands for both studied targets, which is much better than that usually found along High Throughput Screening assays. Thus, this study contributed with the proposítion of new molecular scaffolds that can be used as lead compounds in the development of new tripanocidal agents having as targets the enzymes TcGAPDH or TcDHODH.

A Doença de Chagas, causada pelo parasito tripanossomatídeo Trypanosoma cruzi, é endêmica e se distribuí por toda América Latina. É uma das parasitoses mais negligenciadas pela indústria farmacêutica e os únicos fármacos disponíveis para seu tratamento foram introduzidos há décadas. Infelizmente, eles são ineficientes e apresentam sérios efeitos colaterais. Esse panorama mostra a necessidade do desenvolvimento de novos fármacos para a quimioterapia contra a doença de Chagas. As enzimas pertencentes a vias metabólicas essenciais para a sobrevivência do parasito tais como a via glicolítica e a de síntese de novo de nucleotídeos de pirimidinas, têm sido propostas como alvos interessantes no planejamento novos fármacos para o tratamento da doença de Chagas. Neste trabalho, as enzimas Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (TcGAPDH) e a Diidroorotato desidrogenase (TcDHODH) de Trypanosoma cruzi foram estudadas como alvos para o planejamento de inibidores enzimáticos com propriedades físico-químicas e características estruturais similares à de compostos-líderes. Para isso, foram utilizados métodos e ferramentas de Quiminformática tanto baseadas nas estruturas dos ligantes (LBVS) quanto dos receptores (SBVS). Para a identificação e seleção de potenciais inibidores da enzima GAPDH, uma coleção virtual obtida do banco de dados ZINC, contendo aproximadamente 2,5 milhões de compostos, foi avaliada através de vários filtros de seleção com o objetivo de priorizar aqueles compostos mais interessantes do ponto de vista estrutural, de propriedades físico-químicas e farmacocinéticas. A aplicação desses filtros originou uma subcoleção de aproximadamente 450 mil estruturas que foram avaliadas segundo a complementaridade de interações com a estrutura da enzima através de métodos de docagem molecular. Com base nestes resultados, doze compostos que se mostraram promissores foram selecionados e adquiridos comercialmente para serem testadas in vitro contra a enzima TcGAPDH. Dos doze compostos testados, três exibiram afinidade (Ki) pela enzima em concentrações inferiores a 80 μM, Além disso, esses compostos também são caracterizados pelo baixo peso molecular (274 a 330 g mol-1) e no máximo 24 átomos diferentes do hidrogênio e, como consequência, apresentam eficiências do ligante entre 0,24 e 0,34 Kcal mol-1 átomo-1, o que os tornam ótimos candidatos à otimização molecular visando aumento da afinidade pelo alvo. Para a busca de inibidores da enzima TcDHODH, primeiramente foi realizada uma busca por cavidades na estrutura 3D do alvo para a identificação de regiões distintas do sítio catalítico e passíveis de serem exploradas no planejamento de ligantes. Através desta análise foi possível o estabelecimento de quatro novas regiões com forma, volume e localizações adequadas para acomodar pequenas moléculas capazes de modular a atividade da TcDHODH. Uma destas regiões, chamada S2, localizada sob a alça β4-αA e no canal de acesso dos substratos ao sítio ativo, foi escolhida para o planejamento baseado na estrutura do alvo. As estruturas de aproximadamente cem compostos derivados de pirimidinas, substituídos em posições estrategicamente definidas e selecionados através de buscas por subestruturas, foram docadas no sítio de interesse e nove compostos adquiridos e testados in vitro contra a enzima com o objetivo de validar as hipóteses estabelecidas inicialmente. Destes, cinco compostos mostraram potências (IC50) superiores à do produto de reação (inferior a 150 μM), Os resultados encontrados validaram as hipóteses geradas na primeira etapa e foram usados para direcionar a seleção de outras quinze novas moléculas através de um protocolo de docagem molecular com ajuste induzido. A avaliação in vitro desses compostos contra a enzima TcDHODH resultou na identificação de outros 11 compostos ativos, dos quais o mais potente exibiu afinidade pela enzima em concentração igual a 124 nM. Este composto possui eficiência do ligante igual a 0,56 Kcal mol-1 átomo-1 e pode ser considerado um fragmento molecular com excelentes características do ponto de vista do potencial para futuro desenvolvimento como agente terapêutico. Os resultados encontrados também evidenciaram a importância de determinadas características estruturais impressas nos inibidores da TcDHODH para a complementaridade com o novo sítio de interação identificado. Assim, novos compostos foram propostos para otimização molecular com o objetivo de melhorar afinidade e aumentar a diversidade de classes e, deste modo, ampliar o espectro de perfis farmacocinéticos para posteriores ensaios celulares e in vivo, Através da realização deste trabalho foi possível validar as estratégias adotadas na utilização dos métodos computacionais e também as hipóteses construídas a partir da aplicação dos mesmos. A taxa de acerto (TA) alcançada foi superior a 30% no planejamento de inibidores para ambos os alvos, ou seja, muito superiores às encontradas em experimentos de ensaio em massa. Deste modo, este estudo contribuiu com a proposição de novos esqueletos moleculares que podem ser usados como compostos-líderes no desenvolvimento de novos agentes tripanocidas focando nas enzimas TcGAPDH e TcDHODH como alvos. / Chagas\' disease, an endemic illness widely distributed throughout Latin America, is caused by the protozoa parasite Trypanosoma cruzi. It is one of the tropical diseases that are among the most neglected by the pharmaceutical industry, for which available treatments were launched more than 30 years ago. In addition, these drugs are ineffective and cause severe side effects to patients. This panorama shows the need for the development of new and more effective chemotherapeutic agents for the treatment of the disease. Enzymes belonging to metabolic pathways that are essential for the parasite survival such as the glycolysis and pyrimidine nucleotide biosynthesis have been proposed as attractive targets for the design of new drugs for the treatment of Chagas disease. In this work, the enzymes Gyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (TcGAPDH) and the Dihydroorotate dehydrogenase (TcDHODH) from Trypanosoma cruzi were studied as targets for the design of inhibitors with physicochemical properties and structural characteristics similar to lead-compounds. Methods in Cheminformatics within the Ligand- and Structure-based Virtual Screening (LBVS and SBVS, respectively) approaches were thoroughly employed as tools to identify new hits. For the selection and identification of potential inhibitors of the GAPDH enzyme, a compound database containing nearly 2.5 million of small molecules retrievable from ZINC was evaluated through several molecular filters aiming at prioritizing those compounds more interesting from the point of view of their structures, physicochemical and predicted ADME/Tox properties. The application of Filter originated a subcollection of approximately 450 thousand structures that were then scored according to their complementary interactions with the 3D structure of the enzyme through molecular docking. Based on docking results, twelve compounds that showed to be promising ligands were selected and commercially acquired for in vitro assays against the TcGAPDH. Of the twelve compounds evaluated in vitro, three exhibited affinity constants (Ki) at concentrations lower than 80 μM. Furthermore, the selected compounds are also characterized by the low molecular weight (274 to 330 g mol-1) and a maximum of non-hydrogen atom count of 24, as a result, they have Ligand Efficiencies between 0,24 and 0,34 Kcal mol-1 átomo-1, what grant them great potential as candidates for molecular optimization and potency improvement. For the search of TcDHODH inhibitors, cavities in the 3D structure of the target for the identification of areas apart from catalytic site but likely to be explored in the design of ligands were selected a priori. This resulted in four new regions with appropriate shape, volume and locations to accommodate small molecules capable of modulating the activity of TcDHODH. One of the areas, called S2 site, is located under the α4 - βA loop and in the access channel of the substrate to the active site and was chosen to be explored in the SBDD studies. Approximately one hundred of pyrimidine derivatives containing strategically defined posítions for molecular substitution were retrieved from commercially available compounds database through substructure searching and docked into the previously defined site. Based on the docking results nine compounds were selected, purchased and assayed in vitro against the enzyme with the objective of validating the hypothesis. Of these, five compounds showed potencies (IC50) better than that exhibited by the product of the reaction (values lower than 150 μM). Thus, the results found validated the hypotheses generated in the first stage of the designing and they were used to drive the selection of other fifteen new molecules through induced fit molecular docking protocol. The in vitro evaluation of those compounds against the TcDHODH enzyme resulted in the identification of other eleven ligands, of which the most potent exhibited affinity for enzyme at the concentration of 124 nM. This molecule has a Ligand Efficiency of 0.56 Kcal mol-1 atom-1 and can be considered a fragment-like compound with excellent characteristics from the point of view of its potential for future development as therapeutic agent. The results found also evidenced the importance of certain structural characteristics in the inhibitor of TcDHODH for the complementarily with the new identified site of interaction. Thus, new compounds were proposed for potency and class diversity improvement. By doing so we hope to enlarge ADME profile spectrum for further cellular and in vivo assays. Through the success of this work, it was possible to validate the strategies adopted in the use of computational methods and also the hypotheses built from the application of that. The success rate (TA) obtained was higher than 30% in the design of ligands for both studied targets, which is much better than that usually found along High Throughput Screening assays. Thus, this study contributed with the proposítion of new molecular scaffolds that can be used as lead compounds in the development of new tripanocidal agents having as targets the enzymes TcGAPDH or TcDHODH.

A doença de Chagas, causada pelo protozoário flagelado Trypanosoma cruzi, é uma doença tropical que enseja morte/morbidade de milhões de pessoas na América Latina. Por processos migratórios, vem-se estendendo ao sul dos Estados Unidos, Canadá, Europa, Austrália e Japão. Essa doença tem sido considerada super-negligenciada pela indústria farmacêutica, já que os dois fármacos disponíveis para o seu tratamento foram introduzidos há mais de quarenta anos e apresentam baixa eficácia com vários efeitos colaterais severos. Mais recentemente, a Organização Mundial da Saúde considerou a doença de Chagas, dentre outras, como a doença da pobreza! Com esse cenário completamente desfavorável aos portadores da doença, é necessária a descoberta, desenvolvimento e introdução de novos fármacos para o tratamento eficiente e seguro da doença de Chagas. <br />Dentro desse contexto, este trabalho representa uma importante contribuição para o entendimento das razões moleculares da ação farmacológica de substâncias químicas bioativas de interesse à farmacoterapia da doença de Chagas. Ao nível molecular, a enzima pertencente à via de síntese de novo de nucleotídeos de pirimidinas, diidroorotato desidrogenase do Trypanosoma cruzi (TcDHODH), é um alvo promissor para a descoberta e desenvolvimento de candidatos a fármacos de interesse para o tratamento da doença de Chagas. <br />Os conceitos e ferramentas da química medicinal computacional, tais como os ensaios virtuais in silico, foram usados para a identificação de inibidores da TcDHODH. Vinte e seis substâncias inéditas como inibidores da TcDHODH foram adquiridos comercialmente e avaliados experimentalmente através da Calorimetria de Titulação Isotérmica (ITC) para a determinação do mecanismo de inibição e da constante cinética de afinidade (Kiapp). <br />Na etapa de docagem molecular, o objetivo era identificar moléculas que apresentassem uma boa afinidade pelo sítio ativo da enzima TcDHODH. A primeira série de ligantes selecionados dos métodos in silico, apresentou inibição enzimática na concentração de micromolar com eficiência média de ligante de 0,50 kcal mol-1 átomo-1. Devido à baixa massa molecular (aproximadamente 200 kDa) e a alta eficiência de ligante, essa série foi considerada como constituída de excelentes substâncias com elevado poder de reconhecimento biomolecular. Por isso, foram caracterizadas como substâncias passíveis de otimização no processo do-ligante-para-substância matriz. <br />As enzimas TcDHODH e DHODH de Leishmania major (LmDHODH) têm sítios ativos com elevado grau de similaridade. Portanto, usando a enzima LmDHODH como padrão de substituição da TcDHODH é possível fazer a descrição do modo de interação do co-complexo TcDHODH-inibidor. O modo de ação descrito através da resolução da estrutura cristalográfica de raios-X, além de validar ortogonalmente os resultados cinéticos obtidos por ITC - que identificou as substâncias como inibidores competitivos (por interação direta no sítio ativo da enzima TcDHODH), geraram hipóteses farmacofóricas para a busca de novas moléculas (chamadas de segunda geração), agora com padrão superior de reconhecimento molecular do sítio da TcDHODH. Para validar complementarmente a hipótese, foi demonstrado que os inibidores da TcDHODH inibem, similarmente, a LmDHODH. <br />Uma análise cuidadosa da estrutura tridimensional da enzima TcDHODH, demostrou a possibilidade de ocupação do sítio S2 que se estende além da região do sítio catalítico S1, permitindo assim o aumento da afinidade biomolecular com os inibidores. Além disso, o sítio S2 não é encontrado na estrutura da proteína de humanos (HsDHODH), podendo ser uma região passível de seletividade frente à enzima TcDHODH. <br />O emprego adequado dessa hipótese resultou na otimização dos ligantes identificados previamente para substâncias mais potentes que inibiram a enzima de forma competitiva em relação ao substrato diidroorotato (DHO) em valores Kiapp de 121 &plusmn; 14 nM e 190 &plusmn; 10 nM. <br />A técnica de ITC foi fundamental no processo de descoberta de inibidores enzimáticos, pois se mostrou extremamente susceptível à determinação da interação intermolecular enzima-inibidor, permitindo acompanhar a cinética da reação e obter os valores da constante de afinidade de maneira precisa e acurada. Com isso, a taxa de acerto obtida nesta tese foi de 46%, considerando-se apenas as substâncias com valores de Ki app < 100 &micro;M. Esse é um número favoravelmente apreciável, já que na literatura ele gira em torno de 1-10% quando o planejamento in silico é realizado, quando comparado às taxas de acerto dos métodos de ensaio em larga escala (HTS), entre 0-2 %, os resultados alcançados neste trabalho são ainda mais significativos. <br />Além disso, as substâncias químicas selecionadas através da integração de métodos in silico e biocalorimétricos apresentam elevado grau de complexidade no processo biomolecular de interação enzima-ligante, que permite classificá-las para as fases seguintes da gênese planejada de fármacos. / American trypanosomiasis or Chagas disease, caused by the haemoflagellate Trypanosoma cruzi, is a tropical disease that affects millions of people in Latin America. Epidemiology of Chagas disease in non-endemic countries is attained by immigration as the disease also affects people in the United States, Canada, Europe, Australia and Japan. However, the United States are not to be written off as an area of nonendemicity for Chagas disease like Europe or Asia because the southern states have enzootic T. cruzi transmission that involves triatomine species and hosts such as raccoons, opossums, and domestic dogs. Even though, this disease has been considered as a super-neglected from the big Pharma Industry viewpoint since the only available drugs for its treatment were introduced in the market more than forty years ago and worsen is that they have low efficacy and cause various severe side effects. <br />Although the current clinical scenario is of course discouraging and is far from being even a soothing treatment for those who suffer from the disease, it prompt ones to set efforts towards the need of discovering and developing new efficacious and safe drugs to treat Chagas disease. <br />Our research group covers the concept of enzymes acting as targets for the action of drugs. Once T. cruzi has many druggable targets, the dihydroorotate dehydrogenase enzyme (TcDHODH) that belongs to the de novo pyrimidine nucleotide synthetic pathway has been chosen for the search of new inhibitors that may be of use in the treatment of Chagas disease. To accomplish with this and considering that inhibitors are molecules that decrease enzyme activity leading to parasite death, we used the concepts and tools of modern computational medicinal chemistry such as in silico screening of small molecules that bind to the active site of the TcDHODH. <br />After a thoroughly program of virtually screening thousands of compounds, 26 were purchased from commercially available sources and experimentally assayed against the TcDHODH using Isothermal Titration Calorimetry (ITC) in order to determine the mechanism of inhibition and the kinetic affinity constant (Kiapp). <br />The first series of inhibitors selected from our in silico strategy were evaluated by ITC to yield compounds that inhibited the TcDHODH in the micromolar concentration range with an average of 0.50 kcal mol-1 atom-1 ligand efficiency (LE). Because the assayed compounds have low molecular weight (ca. 200 kDa) and high LE, which bring them to the specific bimolecular pattern recognition all of them were considered good inhibitors capable of being selected to enter the hit-to-lead optimization process. <br />The detailed description of the ligand-enzyme mode of binding (MOB) is thoroughly accomplished by solving the X ray crystal structure of the surrogate Leishmania major DHODH enzyme (LmDHODH), which has a high degree of similarity with the enzyme TcDHODH. The MOB credited to be in the active site of the TcDHODH orthogonally validated the ITC kinetic experimental data obtained for all ligands as competitive inhibitors that interact at the active site of the TcDHODH and helped to generate pharmacophoric hypotheses for the search of new second generation molecules acting against the enzyme TcDHODH.  Analyzing the 3D structure of the TcDHODH along with its surrogate LmDHODH, we envisaged the possibility of compounds to extend their side chain beyond the region of the catalytic site (called S1), and interacting in a region called S2, so to increase binding affinity. Moreover, the TcDHODH S2 site that is not found in the 3D protein structure of humans (HsDHODH) is likely to offer new insights for the search of inhibitors whose binding to this S2 site can pave the roads towards the needed structural basis for selective inhibition of TcDHODH. <br />The most potent compounds inhibited the enzyme competitively with respect to the substrate dihydroorotate (DHO) at Kiapp values of 121 &plusmn; 14 nM and 190 &plusmn; 10 nM, which constitutes high affinity TcDHODH inhibitors. The ITC technique was pivotal to this process of enzyme inhibitors discovery, because it proved to be extremely sensitive thus allowing to monitor the kinetics of the reaction and to obtain precise and accurate values of affinity constants. <br />The hit rate obtained in this work, considering only those compounds with Kiapp < 100 &micro;M, was 46%. This is a really high number, since literature values range from 1 to 10% when the planning new inhibitors via in silico methods when compared to the success rates obtained by the methods of testing on large scales (HTS), 0-2 %, the results achieved in this work are even more significant. Moreover, the compounds selected through the integration of in silico and calorimetric methods showed a high degree of complexity in the process of bimolecular enzyme-ligand recognition, which allows to pass them to the next phase of the drug design process.

A doença de Chagas, causada pelo protozoário flagelado Trypanosoma cruzi, é uma doença tropical que enseja morte/morbidade de milhões de pessoas na América Latina. Por processos migratórios, vem-se estendendo ao sul dos Estados Unidos, Canadá, Europa, Austrália e Japão. Essa doença tem sido considerada super-negligenciada pela indústria farmacêutica, já que os dois fármacos disponíveis para o seu tratamento foram introduzidos há mais de quarenta anos e apresentam baixa eficácia com vários efeitos colaterais severos. Mais recentemente, a Organização Mundial da Saúde considerou a doença de Chagas, dentre outras, como a doença da pobreza! Com esse cenário completamente desfavorável aos portadores da doença, é necessária a descoberta, desenvolvimento e introdução de novos fármacos para o tratamento eficiente e seguro da doença de Chagas. <br />Dentro desse contexto, este trabalho representa uma importante contribuição para o entendimento das razões moleculares da ação farmacológica de substâncias químicas bioativas de interesse à farmacoterapia da doença de Chagas. Ao nível molecular, a enzima pertencente à via de síntese de novo de nucleotídeos de pirimidinas, diidroorotato desidrogenase do Trypanosoma cruzi (TcDHODH), é um alvo promissor para a descoberta e desenvolvimento de candidatos a fármacos de interesse para o tratamento da doença de Chagas. <br />Os conceitos e ferramentas da química medicinal computacional, tais como os ensaios virtuais in silico, foram usados para a identificação de inibidores da TcDHODH. Vinte e seis substâncias inéditas como inibidores da TcDHODH foram adquiridos comercialmente e avaliados experimentalmente através da Calorimetria de Titulação Isotérmica (ITC) para a determinação do mecanismo de inibição e da constante cinética de afinidade (Kiapp). <br />Na etapa de docagem molecular, o objetivo era identificar moléculas que apresentassem uma boa afinidade pelo sítio ativo da enzima TcDHODH. A primeira série de ligantes selecionados dos métodos in silico, apresentou inibição enzimática na concentração de micromolar com eficiência média de ligante de 0,50 kcal mol-1 átomo-1. Devido à baixa massa molecular (aproximadamente 200 kDa) e a alta eficiência de ligante, essa série foi considerada como constituída de excelentes substâncias com elevado poder de reconhecimento biomolecular. Por isso, foram caracterizadas como substâncias passíveis de otimização no processo do-ligante-para-substância matriz. <br />As enzimas TcDHODH e DHODH de Leishmania major (LmDHODH) têm sítios ativos com elevado grau de similaridade. Portanto, usando a enzima LmDHODH como padrão de substituição da TcDHODH é possível fazer a descrição do modo de interação do co-complexo TcDHODH-inibidor. O modo de ação descrito através da resolução da estrutura cristalográfica de raios-X, além de validar ortogonalmente os resultados cinéticos obtidos por ITC - que identificou as substâncias como inibidores competitivos (por interação direta no sítio ativo da enzima TcDHODH), geraram hipóteses farmacofóricas para a busca de novas moléculas (chamadas de segunda geração), agora com padrão superior de reconhecimento molecular do sítio da TcDHODH. Para validar complementarmente a hipótese, foi demonstrado que os inibidores da TcDHODH inibem, similarmente, a LmDHODH. <br />Uma análise cuidadosa da estrutura tridimensional da enzima TcDHODH, demostrou a possibilidade de ocupação do sítio S2 que se estende além da região do sítio catalítico S1, permitindo assim o aumento da afinidade biomolecular com os inibidores. Além disso, o sítio S2 não é encontrado na estrutura da proteína de humanos (HsDHODH), podendo ser uma região passível de seletividade frente à enzima TcDHODH. <br />O emprego adequado dessa hipótese resultou na otimização dos ligantes identificados previamente para substâncias mais potentes que inibiram a enzima de forma competitiva em relação ao substrato diidroorotato (DHO) em valores Kiapp de 121 &plusmn; 14 nM e 190 &plusmn; 10 nM. <br />A técnica de ITC foi fundamental no processo de descoberta de inibidores enzimáticos, pois se mostrou extremamente susceptível à determinação da interação intermolecular enzima-inibidor, permitindo acompanhar a cinética da reação e obter os valores da constante de afinidade de maneira precisa e acurada. Com isso, a taxa de acerto obtida nesta tese foi de 46%, considerando-se apenas as substâncias com valores de Ki app < 100 &micro;M. Esse é um número favoravelmente apreciável, já que na literatura ele gira em torno de 1-10% quando o planejamento in silico é realizado, quando comparado às taxas de acerto dos métodos de ensaio em larga escala (HTS), entre 0-2 %, os resultados alcançados neste trabalho são ainda mais significativos. <br />Além disso, as substâncias químicas selecionadas através da integração de métodos in silico e biocalorimétricos apresentam elevado grau de complexidade no processo biomolecular de interação enzima-ligante, que permite classificá-las para as fases seguintes da gênese planejada de fármacos. / American trypanosomiasis or Chagas disease, caused by the haemoflagellate Trypanosoma cruzi, is a tropical disease that affects millions of people in Latin America. Epidemiology of Chagas disease in non-endemic countries is attained by immigration as the disease also affects people in the United States, Canada, Europe, Australia and Japan. However, the United States are not to be written off as an area of nonendemicity for Chagas disease like Europe or Asia because the southern states have enzootic T. cruzi transmission that involves triatomine species and hosts such as raccoons, opossums, and domestic dogs. Even though, this disease has been considered as a super-neglected from the big Pharma Industry viewpoint since the only available drugs for its treatment were introduced in the market more than forty years ago and worsen is that they have low efficacy and cause various severe side effects. <br />Although the current clinical scenario is of course discouraging and is far from being even a soothing treatment for those who suffer from the disease, it prompt ones to set efforts towards the need of discovering and developing new efficacious and safe drugs to treat Chagas disease. <br />Our research group covers the concept of enzymes acting as targets for the action of drugs. Once T. cruzi has many druggable targets, the dihydroorotate dehydrogenase enzyme (TcDHODH) that belongs to the de novo pyrimidine nucleotide synthetic pathway has been chosen for the search of new inhibitors that may be of use in the treatment of Chagas disease. To accomplish with this and considering that inhibitors are molecules that decrease enzyme activity leading to parasite death, we used the concepts and tools of modern computational medicinal chemistry such as in silico screening of small molecules that bind to the active site of the TcDHODH. <br />After a thoroughly program of virtually screening thousands of compounds, 26 were purchased from commercially available sources and experimentally assayed against the TcDHODH using Isothermal Titration Calorimetry (ITC) in order to determine the mechanism of inhibition and the kinetic affinity constant (Kiapp). <br />The first series of inhibitors selected from our in silico strategy were evaluated by ITC to yield compounds that inhibited the TcDHODH in the micromolar concentration range with an average of 0.50 kcal mol-1 atom-1 ligand efficiency (LE). Because the assayed compounds have low molecular weight (ca. 200 kDa) and high LE, which bring them to the specific bimolecular pattern recognition all of them were considered good inhibitors capable of being selected to enter the hit-to-lead optimization process. <br />The detailed description of the ligand-enzyme mode of binding (MOB) is thoroughly accomplished by solving the X ray crystal structure of the surrogate Leishmania major DHODH enzyme (LmDHODH), which has a high degree of similarity with the enzyme TcDHODH. The MOB credited to be in the active site of the TcDHODH orthogonally validated the ITC kinetic experimental data obtained for all ligands as competitive inhibitors that interact at the active site of the TcDHODH and helped to generate pharmacophoric hypotheses for the search of new second generation molecules acting against the enzyme TcDHODH.  Analyzing the 3D structure of the TcDHODH along with its surrogate LmDHODH, we envisaged the possibility of compounds to extend their side chain beyond the region of the catalytic site (called S1), and interacting in a region called S2, so to increase binding affinity. Moreover, the TcDHODH S2 site that is not found in the 3D protein structure of humans (HsDHODH) is likely to offer new insights for the search of inhibitors whose binding to this S2 site can pave the roads towards the needed structural basis for selective inhibition of TcDHODH. <br />The most potent compounds inhibited the enzyme competitively with respect to the substrate dihydroorotate (DHO) at Kiapp values of 121 &plusmn; 14 nM and 190 &plusmn; 10 nM, which constitutes high affinity TcDHODH inhibitors. The ITC technique was pivotal to this process of enzyme inhibitors discovery, because it proved to be extremely sensitive thus allowing to monitor the kinetics of the reaction and to obtain precise and accurate values of affinity constants. <br />The hit rate obtained in this work, considering only those compounds with Kiapp < 100 &micro;M, was 46%. This is a really high number, since literature values range from 1 to 10% when the planning new inhibitors via in silico methods when compared to the success rates obtained by the methods of testing on large scales (HTS), 0-2 %, the results achieved in this work are even more significant. Moreover, the compounds selected through the integration of in silico and calorimetric methods showed a high degree of complexity in the process of bimolecular enzyme-ligand recognition, which allows to pass them to the next phase of the drug design process.