Neste trabalho foram utilizadas técnicas de modelagem molecular computacional para descrever nanossuperfícies funcionalizadas com biomoléculas do sistema imunológico correlacionando resultados experimentais obtidos com o microscópio de força atômica, simulações de dinâmica molecular e dinâmica molecular direcionada. O objetivo principal proposto é avaliar as forças intermoleculares provenientes das interações antígeno-anticorpo (funcionalizados em nanossuperfícies) para aplicação no desenvolvimento de nanoimunossensores e detecção de doenças desmielinizantes, como a Neuromielite Óptica. A Neuromielite Óptica é uma doença inflamatória autoimune na qual o próprio sistema imunológico reage contra os nervos ópticos e a medula espinhal, causando lesão desmielinizante. Estudos na literatura estabeleceramo anticorpo anti-aquaporina4 como um importante biomarcador da doença. Neste contexto, um nanoimmunosensorvem sendo desenvolvido com a técnica de Microscopia de Força Atômica, o qual visa detectar o anticorpoanti-aquaporina4 no soro de portadores da doença. Tal estudo necessitou de uma nova abordagem computacional para a descrição de estruturas tridimensionais de anticorpos. Essa nova aproximação consistiu na aplicação de técnicas de computacionais de modelagem e engenharia molecular para a geração de modelos de anticorpos com base em sucessivas substituições dos resíduos componentes do sítio de interação com o antígeno. Testes realizados envolvendo modelos de anticorpos disponíveis em bancos de dados especializadosindicaram (48 ± 18) % e (65 ± 14) % de identidade das cadeias leve e pesada, respectivamente, entre os modelos gerados computacionalmente e as estruturas 3D reais de anticorpos. Por fim, para comprovar o funcionamento dos nanoimunossensores, foi desenvolvido um modelo estatístico para tratar e interpretar os dados experimentais. Este modelo foi eficiente para distinguir os pacientes soropositivos de sujeitos soronegativos para determinados biomarcadores relacionados à Neuromielite Óptica e a Esclerose Múltipla, fornecendo assim um novo e mais preciso processopara diagnóstico de doenças desmielinizantes. / Study of the biological coverage of nanosurfaces by computational modeling: application in the development of nanoimunoresensors. In this work, computational molecular modeling techniques were applied to describe nanosurfaces functionalized with immune system biomolecules, correlating data from atomic force microscope experiments, molecular dynamics, and steered molecular dynamics simulations. The main goal of this research was to evaluate intermolecular forces involved in the antigen-antibody interaction on the nanosurfaces during the development of nanoimmunosensors for demyelinating diseases detection, especially neuromyelitisoptica. The neuromyelitisoptica is an autoimmune inflammation in which components of the immune system respond against optical nerves and spinal cord, resulting in demyelinating lesions. In the literature, studies have established anti-aquaporin 4 as an important biomarker for neuromyelitisoptica. Then, a nanoimmunosensor for anti-aquaporin 4 antibodies detection in neuromyelitisoptica patients serum via Atomic Force Microscopy is in development. This study requested a computational approach for describing the tridimensional structure of antibodies. The novel approach consisted of computer molecular modeling and engineering to perform successive substitutions in residues of the antigen interaction site. Tests carried out using antibody structures available in specialized data banks demonstrated the similarity of (48 ± 18) % and (65 ± 14) % for light and heavy chains, respectively, of the computationally generated models and experimental 3D structures of antibodies. Additionally, a statistical model was developed to prove the nanoimmunosensor sensing activity, which was useful to treat and interpret the experimental data. This statistical model was efficient to distinguish seropositive patients from seronegative subjects considering specific biomarkers related to neuromyelitisoptica and multiple sclerosis, providing a novel and more precise process for demyelinating disease diagnosis.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:19:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AMARANTE_Adriano_2013.pdf: 11925080 bytes, checksum: 6de5e4ba7ae233d30b78c7f1d927740a (MD5) Previous issue date: 2013-03-19 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this work was developed a prototype of a new nanobiosensor with molecular specificity through a study of theoretical models of Chemical Force Microscope. For the sensing were used molecular modeling techniques as well as experimental models of the functionalized Atomic Force Microscope tip with the Acetil co-A Carboxylase (ACC) attached. Specific and non-specific inhibitors were used to evaluate substrate-enzyme interactions. The nanobiosensor investigates specific enzymatic inhibition characteristics of the ACC enzyme through the herbicide Diclofop by reversing this process applying a force in a determined direction. The force is theoretically calculated by using molecular dynamic techniques associated to the adhesion force experimentally obtained. Theoretical and experimental questions involving nanobiosensors of AFM tips still obscure until now, such as, the number of functional enzymes attached on the AFM tip, the number of the active sites available to interact after immobilization process, the consequences of the enzyme immobilization as well as the substrate and theoretical adhesion between AFM tip and substrate were analyzed here. / Este trabalho teve como objetivo principal desenvolver o protótipo de um novo nanobiossensor de alta especificidade por intermédio do estudo e desenvolvimento de modelos teóricos específicos para a Microscopia de Força Química (MFQ). Para o sensoriamento foram utilizadas técnicas de Modelagem Molecular Computacional (MMC) e resultados experimentais de MFQ, do qual a ponta do Microscópio de Força Atômica (AFM, do inglês Atomic Force Microscopy) foi funcionalizada com enzimas Acetil-coA Carboxilase (ACC). O nanobiossensor foi utilizado para detectar especificamente substratos de herbicidas específicos e não-específicos. O nanobiossensor explora as características de inibição enzimática específica da enzima ACC pelo herbicida Diclofop revertendo esse processo aplicando-se uma força numa determinada direção. Essa força foi calculada teoricamente por intermédio de cálculos de técnicas de Dinâmica Molecular e associada à força de adesão experimental. Os resultados experimentais validaram os modelos teóricos de forma inequívoca. Questões teóricas e experimentais envolvendo nanobiossensores de ponta de AFM não respondidas até o momento (número de enzimas úteis na ponta do AFM que podem interagir com o substrato, o número de sítios ativos disponíveis, consequências da imobilização das enzimas e do substrato, força de adesão teórica entre a ponta do AFM e o substrato de herbicidas, etc.) foram solucionadas neste trabalho.