Orientador: Makoto Yoshida / Banca: Valter Luiz Líbero / Banca: João Ruggiero Neto / Resumo: Estudamos o enovelamento de proteínas através da termodinâmica de uma cadeia heteropolimérica. Para isso, adaptamos um método de Monte Carlo introduzido por Wang e Landau para o estudo de transições de fase em sistemas magnéticos para estudarmos a mecânica estatística dessa cadeia. Trata-se de um método que se vale do passeio randômico no espaço de energias para determinação da densidade de estados acessíveis à cadeia e com ela determinar grandezas termodinâmicas do sistema em estudo. Para obtermos essa densidade de estados, adotamos modelos de rede para gerarmos todas as conformações geométricas possíveis de uma cadeia de 27 monômeros em uma rede cúbica. Estudamos várias seqüências de monômeros adotando os modelos de rede mais relevantes utilizados para a investigação do enovelamento de proteínas tais como o modelo HP e modelos mais elaborados que utilizam as interações de Miyazawa-Jernigan entre monômeros. Calculamos diversas grandezas termodinâmicas essenciais para a compreensão do enovelamento de proteínas e com isso mostramos a eficiência do método Wang-Landau. / Abstract: We studied the protein folding through investigating the thermodynamics of a hetero-polymeric chain. For this purpose, a Monte Carlo method introduced by Wang and Landau to study the phase transitions in magnetic systems, was adapted to investigate the statistical mechanics of this chain. The method is based on the random walk in the energy space to determine the density of states of the chain and important thermodynamics quantities. For this purpose, we adopted the lattice model and generate all geometric conformations of a 27-monomer chain in a cubic lattice. We studied several sequences of monomers adopting the most relevant lattice models, such as the HP model and more elaborated models considering the Miyazawa-Jernigan interactions. We computed several thermodynamics quantities to help us to understand the protein folding and show the efficiency of the Wang-Landau method. / Mestre

Orientador: Makoto Yoshida / Banca: Valter Luiz Líbero / Banca: Edson Denis Leonel / Resumo: Neste trabalho de dissertação, apresentamos uma técnica de se construir sistematicamente sequências de aminoácidos que, ao serem dispostas ao longo de uma cadeia previamente conhecida, resultam em cadeias que se comportam como proteínas. Cada cadeia de aminoácidos, a uma dada temperatura, deve assumir uma forma funcional denominada estrutura nativa, não degenerada, na qual sua energia é a de menor valor possível. A técnica está baseada em um método Monte Carlo, introduzido por Wang e Landau, para se estudar transição de fases em sistemas magnéticos e que neste trabalho foi adaptada e aplicada para se desenhar proteínas. Para se verificar a eficiência do método, foi adotado o modelo de rede para proteínas, onde as cadeias são compostas por 27 monômeros interagindo através do potencial de Miyazawa-Jernigan e 20 tipos de aminoácidos. Um elevado número de sequências foram sintetizadas e todas foram sistematicamente testadas para verificar se cumpriam os requisitos de proteína. Com os resultados obtidos pôde-se verificar o sucesso da implementação da técnica. Trata-se então de uma ferramenta muito interessante e eficiente para o estudo do problema do enovelamento de proteínas / Abstract: In this dissertation, we present a technique to search and order sequences of amino acids placed along a known chain to build one that behaves as a protein. At a given temperature, each designed sequence should fold to a special nondegenerated conformation known as native state. The energy of the sequence in this state is the lowest one. The technique is based on a Monte Carlo method, introduced by Wang and Landau, to study phase transition of magnetic systems and in this work was adapted and applied to protein design. We adopted the lattice model protein composed of 27 monomers interacting through the Miyazawa-Jernigan potencial and with 20 types of different amino acids. Many sequences were synthesized and all of them were systematically verified if they fulfilled the protein requirements and to check the efficiency of this method. The obtained results showed the success of the implemantation of this technique. Therefore, it is one more very interesting tool to efficiently study the protein folding problem / Mestre

Orientador: Aguinaldo Robinson de Souza / Banca: Julio Ricardo Sambrano / Banca: Antonio Caliri / O Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi da Unesp / Resumo: Compreender como a sequencia de aminoácidos de uma proteína determina a sua funcionalidade biológica é de grande importância conceitual e prática como, por exemplo, no projeto de novas drogas. As proteínas consistem em polipeptídios composta por 20 L- aminoácidos diferentes, (formados pelos átomos de hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio) ligados por ligações peptídicas. O que torna as proteínas diferentes não é o número de aminoácidos, mas a sequencia deles na cadeia polipeptídica. No presente trabalho, apresentamos uma simulação computacional, com modelo simples, para a enumeração exata de todas as conformações possíveis em uma rede de todas as conformações possíveis em uma rede quadrada para n = 1 a 17 monômeros. Resultados mostram que 2.155.667 conformações diferentes são possíveis. Neste trabalho, confirmamos estes resultados e atribuímos aos sítios da rede quadrada os monômetros no modelo que foram usados para computar o número de contatos entre os monômeros, distribuição da energia configuracional, distância em relação a frequencia relativa de todas as conformações, contato topológico de longo alcance, aplicamos e comparamos os resultados das simulações do modelo com sequencia de Epitopos. / Abstract: The understanding of how the amino acids sequence determine the protein biological funtionality is one of the most practical and conceptual challenge as, for example, in the development of new drugs. The protein molecule consist of a long chain of polupeptides composed of 20 different amino acids (essentially formed by carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen atoms) linked together by peptide chemical bonds. What makes proteins different is not the number of amino acids in the chain but the amino acid sequence along the chain. In the present a computer simulation of a simple protein model, using the techinique of exact enumeration over all the possible conformations in the square lallice to a sequence of n = 1 to 17 monomers. The results indicate that we can found 2.155.1667 different possible conformations. We present the results for the Cartesian coordinates of all the monomers along the chain and computed the monomer-monomer contacts, the configurational energy, the long-range topological contact and a possible application of the HP model for a variety of epitopes sequences. / Mestre

Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Banca: Leandro Cristante de Oliveira / Banca: Sidney Jurado de Carvalho / Resumo: No processo de enovelamento as proteínas seguem o principio de "mínima frustração", garantindo ao estado nativo o seu mínimo global de energia e a sua estabilidade termodinâmica. Apesar de, a proteína estar no seu estado nativo, esta condição não impede o surgimento de algumas interações energeticamente desfavoráveis, caracterizando a frustração no estado nativo. Há evidências indicando que um pequeno grau de frustração pode favorecer o processo de enovelamento. Neste estudo são investigadas as condições em que a presença de frustração, é ou não, favorável ao processo de enovelamento. São realizadas simulações computacionais de dinâmica molecular utilizando o modelo Cα (um modelo baseado em estrutura e sem frustração). É adicionado um termo ao potencial do modelo associado à presença de frustração. As simulações do modelo Cα são realizadas para um grupo de proteína com características distintas. É introduzido um critério determinando os casos em que a frustração auxilia o processo de enovelamento. São observados os efeitos da presença de frustração ao longo do processo de enovelamento e sua influência na alteração da temperatura e do tempo de enovelamento. De acordo com o critério introduzido é possível separar as proteínas estudadas em dois grupos distintos, um grupo em que a adição de frustração auxilia o processo de enovelamento e outro grupo em que a presença de frustração não é favorável. A separação das proteínas em dois grupos distintos está relacionada com a ordem de contato absoluta e com a barreira de energia livre de cada proteína / Abstract: In the folding process the proteins follow the "minimal frustration" principle, which guarantees to the native state the minimum global energy and the thermodynamic stability. However, not even the native state can prevent the occurrence of some unfavorable interactions, characterizing the frustration in the native state. There are evidences that a low degree of frustration can favorable to the folding process. In this work it was investigated the conditions under which some frustration helps the protein folding process. Through computer simulations of molecular dynamics, using a structure-based model (non-frustrated model) and adding a parameterized nonspecific energetic frustration to the potential, were studied the kinetics and the thermodynamics properties of a large group of proteins. It is introduced a criterion to determine when the presence of frustration assists the folding process. The effects of the frustration addition are observed and its influence produces changes in the folding temperature and in the folding time. In agree with the adopted criterion, it was observed two well separated groups: one in which some frustration helps the folding process, and another in which frustration hinders it, determining when the presence of frustration is favorable. These results are correlated with the proteins absolute contact order parameter and free energy barrier / Mestre

Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Banca: Elso Drigo Filho / Banca: Leandro Cristante de Oliveira / Resumo: Por meio de simulações computacionais, acompanhamos o processo de enovelamento de um conjunto de proteínas. Neste estudo utilizamos a abordagem conhecida como teoria de Superfície de Energia (Energy Landscape), que trata o enovelamento por uma descrição estatística. O modelo utilizado foi um modelo baseado em estrutura. Para investigarmos os efeitos das interações não nativas no enovelamento de um grupo de proteínas, acrescentamos um termo de frustração ao potencial de energia. Os resultados obtidos a partir dos estudos das propriedades termodinâmicas e cinéticas das proteínas, mostraram que para um grupo de proteínas a frustração ajudou o enovelamento e para outro grupo a frustração atrapalhou. Analizando propriedades como ordem de contato absoluta, tamanho da proteína e barreira de energia livre, foi possível obter um limiar em que a frustração auxilia no enovelamento. Para encontrarmos um limiar, foi necessário uma quantidade grande de proteínas de diferentes tamanhos e diferentes motifs / Abstract: Through computational simulations, the folding process of a set of proteins was monitored. The framework used to describe protein folding was the energy landscape theory, which is a statistical description of folding. The model used was the structural based model. A frustration term was added to the potential to investigate the non-native interactions effect. The results obtained from studies of thermodynamics and kinetics properties, showed for a one group of proteins the frustration helps the folding and for another group the frustrations hinders the folding. The properties as absolute contact order, size of protein and free energy barrier was analyzed and it was possible to obtain a threshold that the frustration helps the folding. It was necessary a large set of proteins of different sizes and motifs to find a threshold / Mestre

Resumo: O enovelamento de proteinas é um problema fundamental em Biofísica Molecular. O processo de enovelamento é, em geral, mapeado através de uma equação de difusão aplicada ao longo da coordenada de reação Q, a qual descreve o grau de similaridade de uma determinada configuração com o estado nativo da proteína. Os tempos de enovelamento podem ser calculados a partir dos potenciais efetivos e do coeficiente de difusão D. Na literatura, D é assumido constante. Usando modelos de rede, mostramos neste trabalho variações desse coeficiente de difusão em função de Q e calculamos os novos tempos de enovelamento. / Abstract: The protein folding is a fundamental problem in Molecular Biophysics. The folding process is, in general, mapped in a diffusion equation through the reaction coordinate Q, that is the similarity degree of a state with the native state. The folding times can be calculated with effective potencials and the diffusion coef- ficient D. In the literature, D is assumed constant. Using lattice models, we show in this work its variations in function of Q and we calculate the new folding times. / Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Coorientador: Jorge Chahine / Banca: Antonio Francisco Pereira de Araújo / Banca: Antonio Caliri / Mestre

Resumo: Efeito das mutações sobre a estabilidade das proteínas e uma questão crucial na evolução da proteína. Tais efeitos dependem fortemente do car ater hidrofóbico global da proteína. Em um trabalho recente (J. Chem. Phys.125,084904(2006), n os sugerimos dois cenários de enovelamento com consequências distintas ma evolução da proteína. O limite de baixa hidrofobicidade, corresponde ao regime em que ocorre concomitantemente o colapso e a formação da estrutura nativa. Sob estas condições as proteínas são pouco robustas a mutações, o que implica em uma alta homologia entre proteínas de diferentes espécies. O limite de alta hidrofobicidade, corresponde ao regime em que a proteína sofrem um colapso antes do enovelamento, e neste caso as proteínas são mais robustas a proteínas, sugerindo uma menor homologia entre proteínas de diferentes espécies. Neste trabalho, n os estudamos a homologia de quatro proteínas para 41 espécies diferentes, correlacionando as suas homologias com suas hidrofobicidades médias. As proteínas estudadas foram lisozima, citocromo-c, mioglobina e histona H3, utilizando seis escalas hidrofóbicas diferentes. Junto com o cálculo da homologia, foi realizada uma comparação da similaridade estrutural (rmsd). Os resultados con rmam a hipótese acima, indicando que proteínas, em condições de baixa hidrofobicidade, têm baixa variabilidade de sequências e conformações, para alta hidrofobicidade, as proteínas exibem variabilidade de sequências e conformações / Abstract: Efect of mutations on stability of proteins is a crucial issue in protein evolution. Such e ects depend strongly on the overall hydrophobic protein character. In a recent work we suggested two scenarios for folding with distinct protein evolution consequences (J. Chem. Phys.125 084904,2006) Under low hydrophobic conditions proteins collapse concomitantly with the formation of their native state, and are less robust to mutations, which implies higher homology among proteins of di erent species. On the other limit, at high hydrophobicity proteins collapse before folding, and in this case they are more susceptible to mutations, suggesting lower homology among proteins of di erent species. In this work we investigate this conjecture studying the homology of four proteins for 41 di erent species, correlating it with their average hydrophobicity. The proteins studied were lysozyme, cytochrome-c, myoglobin and histone H3, using six di erent hydrophobic scales. Along with the homology calculation, a comparison of structural similarity (rmsd) was also carried out. The results con rm the above hypothesis, indicating that proteins at low hydrophobicity display low variations on sequences and conformations. On other hand, at high hydrophobicity, proteins exhibit high variability on sequences and conformations. Keywords: evolution, protein folding, scenarios of folding, projetabilidade, hydrophobicity, homology of proteins, mutations in proteins / Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Coorientador: Jorge Chahine / Banca: Antonio Caliri / Banca: Eduardo Beleza Yamagi / Banca: Luis Paulo Barbour / Banca: Sidnei Jhourado de Carvalho / Doutor

Resumo: A topologia do estado nativo de uma proteína desempenha um papel crucial no processo de enovelamento. Neste trabalho uma nova aproximação utilizando aspectos topol ogicos para investigar a evolução protéica e apresentada. O modelo utiliza uma rede c ubica 3 3 3 de 27 monômeros e um mapa de conexões entre diferentes conformações em espa co de fase estrutural e de sequência. Desenhamos a melhor sequência não frustrada para cada uma das 103346 conformações maximamente compactas usando um algorítimo que maximiza o número de tipos de monômeros na sequência. Isto significa que cada sequência não pode possuir contatos desfavor aveis. O n umero m aximo de tipos de monômeros e 5. A sequência-conformação e considerada \protein-like" se ela tem uma unica conformação de mais baixa energia, alem de acessibilidade e robustez. De todas as conformações maximamente compactas, somente 4; 75% geraram sequências \protein-like', o qual são o alvo neste estudo. Com esses dados realizamos simulações de Monte Carlo (MC) no qual examinamos as melhores sequêencias estruturas baseando-se no ZScore. A simulação e iniciada com uma sequência aleatória no qual e testada em todas as conformações, seguindo as regras estipuladas por MC. Se o ZScore aumenta, assumimos que a nova conformação e mais estável que a anterior. Esse processo e repetido até que as sequências otimamente desenhadas (com mais alto ZScore) são alcançadas. Mantendo as trajetórias originadas via MC, um mapa de conectividade sequências-estruturas e obtido. Os resultados mostram trajetórias conectadas com estruturas com baixos valores de ZScore. O aumento do ZScore ao longo da simulação conduz a um pequeno grupo de conformações preferenciais. O modelo sugere um funil de estruturas para a evolução de proteínas no qual as estruturas do fundo estão associadas com o ii \motif" de uma proteína... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The topology of a protein native state plays a crucial role in the folding process. In this work a new approach using topological aspects to investigate the protein evolutions is presented. The model uses the 27-mer in a cubic lattice of 3 3 3, and a conection map between di erent conformations is found in the sequence and structural phase space. We designed the best unfrustrated sequence for each of the 103346 maximally compact conformation, using an algorithm that maximizes the number for monomers types in the sequence. This means that each sequence cannot have unfavorable contacts. The maximum number of types of monomer is 5. The sequence-conformation is considered protein-like if it has a unique lowest energy conformation, accessible and robust . Out of all maximally compact conformations, only 4,75% generated protein-like sequence, with are targeted in this study. With this data we performed a Monte Carlo simulations in which we probe for better sequence-structure based on Zscore. The simulation start which a random sequence and it is tested all conformations, nding its conformations according to the Monte Carlo rules. If the Zscore increases, we assume that the new conformation is more stable than the previous. This process is repeated until the optimally designed sequence (with the highest Zscore) is reached. Keeping track of all the Monte Carlo trajectories, a map of conectivity of sequence-structures is obtained. The results shows trajectories connected with structures of low Zscore values. The increase of Zscore along of the simulation leads to a small group of preferred conformations. The model suggest a funnel like structure for folding evolution, in which the structures at the bottom of the funnel are associated with the motif of a protein. This result can be a possible iv explanation for the restricted number of conformations compared to the large number of sequences... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Coorientador: Jorge Chahine / Banca: Alexandre Souto Martinez / Banca: Antonio Caliri / Banca: Antonio Francisco Pereira de Araújo / Banca: José Roberto Ruggiero / Doutor