Nesse trabalho, o docking e a dinâmica molecular foram utilizados como métodos de investigação das formas de interação entre um oligonucleotídeo de B-DNA e duas novas Bases de Tröger fluorescentes, com o propósito de verificar sua potencialidade como sondas biológicas. Para o docking molecular foi utilizado o protocolo descrito por Ricci et. al. (2009), que demonstrou ser um método promissor para reconhecer os modos de ligação e descrever a interação entre as Bases de Tröger e os oligonucleotídeos. Os complexos obtidos a partir dos docking foram utilizados como ponto de partida para as simulações de dinâmica molecular usando o programa GROMACS e o campo de força AMBER03, como descrito por Ricci et. al. (2010). A análise dos resultados das simulações mostraram a possibilidade, de que as Bases de Tröger podem interagir de maneiras diferentes com o oligonucleotídeo com preferência pela interação com sulco menor desse receptor. Durante todas as simulações os ligantes mantiveram-se com uma forte interação com o oligonucleotídeo, sem causar a desnaturação do mesmo. Globalmente, os resultados sugerem que as Bases de Tröger podem interagir com o sulco menor do oligonucleotídeo mas também são capazes de interagir como intercaladores. Devido as fortes interações, e també as propriedades fotofísicas (das Bases de Tröger propostas nesse trabalho), essas moléculas podem atuar como possíveis sondas biológicas. / In this work, docking and molecular dynamics simulations were used to ingestigate the interaction between a B-DNA oligonucleotide and two fluorescent Tröger´s bases, in order to verify their potential use as biological probes. For dockings was used protocol described by Ricci et. al. (2009), which proved to be a promising method to recognize the binding modes and describe the interaction between this class of compounds and the oligonucleotide. The complexes obtained from dockings were used as starting point for molecular dynamics simulations using GROMACS and the AMBER03 Force Field, as described by Ricci et. al. (2010). The analyzes of the simulation results showed the possibility that the Tröger Bases can interact in different ways with the oligonucleotide, with some preference for this receptor´s minor groove. During all simulations the ligands have maintained a strong interaction with the oligonucleotide, without causing denaturation of the same. Overall, the results suggest that Tröger´s Bases may interact with the minor groove of olinucleotide but are also able to interact as an intercalator, depending upon the substituents present. Due to the strong interactions, and also the peculiar photophysical properties, this class of molecules may act as a potential DNA probe.

Neste trabalho foi realizado o estudo por docagem e simulação de dinâmica molecular de doze derivados benzazólicos fluorescentes por ESIPT, interagindo com o dodecâmero de Dickerson-Drew na forma B-DNA. Estes doze ligantes foram divididos em dois grupos (A e B), sendo o primeiro grupo composto por derivados do 2-(2’-hidroxifenil)-benzoxazol e o segundo grupo composto por três derivados do 2-(4’-amino-2’-hidroxifenil)-benzazóis, alternando entre N, S e O no anel azólico, mais três bases de Tröger derivadas dos mesmos. Na análise da docagem molecular do grupo A, os derivados com grupamento –NH2 no anel fenólico apresentaram energias de interação mais favoráveis com o DNA, verificando um favorecimento ainda maior, para os ligantes que continham –NO2 como substituinte no anel benzoxazólico. Na análise da docagem molecular para grupo B, as bases de Tröger (4ac) apresentaram interações significativamente mais favoráveis, quando comparados com seus respectivos precursores (3ac). Na análise da DM, tanto o grupo A, quanto o B, apresentaram a formação de complexos estáveis. O grupo A apresentou uma indução a alterações estruturais mínimas no DNA, sendo as maiores alterações a abertura do Rise quando os ligantes estavam intercalados, acompanhado pelo desenrolamento do parâmetro Twist. Nas interações de sulco menor, o ligante 2a foi o que formou o complexo mais estável com o DNA. Na análise da DM do grupo B, as bases de Tröger apresentaram uma preferência maior por interações do tipo intercalação que seus precursores, sendo os primeiros, os quais induziram o oligonucleotídeo a maiores alterações estruturais. Durante todas as simulações os ligantes mantiveram-se com uma forte interação com o oligonucleotídeo, sem causar a desnaturação do mesmo. Devido às interações estáveis, e também as propriedades fotofísicas peculiares dos ligantes estudados, esta classe de moléculas pode atuar como possíveis sondas biológicas. / In this work we carried out a study by docking and molecular dynamics simulations of twelve ESIPT-fluorescent benzazoles, interacting with the Dickerson-Drew dodecamer in the canonical B-DNA form. These twelve ligands were divided into two groups (A and B), with the first group consisting of derivatives of 2-(2’-hydroxphenyl)-benzoxazole and the second group consisting of three derivatives of 2-(4’-amino-2’-hydroxyphenyl)-benzazoles, alternating between N, S and O in the azole ring and three Tröger bases derived from them. In the analysis of the molecular docking of group A, the derivatives with group –NH2 in the phenolic ring presented more favorable interaction energies with the DNA, and the score was even more favorable for the ligands which contained –NO2 as substituent in the benzoxazolic ring. In the analysis of the molecular docking for group B, the Tröger bases (4ac) presented significantly more favorable interactions, when compared with their respective precursors (3ac). In the analysis of the DM, both groups A and B formed stable complexes. Group A induced only slight structural distortions in the DNA, being the largest modifications the increase of the Rise parameter when the ligands were intercalated, accompanied by the unwinding of Twist parameter. Regarding minor groove interactions, the ligand 2a formed the most stable complex with the DNA. In the analysis of the DM both groups A and B, the Tröger bases presented a greater preference for intercalation interactions than their precursors and the Tröger bases induced the largest structural changes to the oligonucleotide. During all the simulations the ligands maintained a strong interaction with the oligonucleotide, without causing the denaturation of the same. Due to the stable interactions, and also the peculiar photophysical properties of the ligands studied, this class of molecules can act as possible biological probes.

A modelagem das interações entre macromoléculas e ligantes ainda se depara com diversos desafios na área de desenho de fármacos assistidos por computador. Apesar do crescimento da área, temas como a flexibilidade do receptor, funções de pontuação e solvatação ainda têm sido alvo de intensa investigação na comunidade científica. Com o objetivo de analisar a interação em milhares ou milhões de complexos, é imprescindível uma boa harmonização entre o custo computacional e a acurácia dos métodos computacionais que permitem a classificação de ligantes de acordo com a energia de interação. O LiBELa (Ligand Binding Energy Landscape) é um programa de docagem molecular com abordagem híbrida, ou seja, utiliza informações do ligante e do receptor durante o processo de docagem. Inicialmente, as características estéricas e eletrostáticas de um ligante de referência (cristalográfico, por exemplo) são utilizadas nos cálculos de similaridade e sobreposição, obtendo assim uma conformação inicial pré-otimizada do ligante testado. Em seguida, a energia de interação é minimizada no sítio ativo de receptor a partir de potenciais energéticos. Quatro funções de pontuação baseadas em campo de força foram testadas e otimizadas, compostas por potenciais de van der Waals, de Coulomb, e uma função empírica de solvatação denominada função de Stouten-Verkhivker (SV). A flexibilidade do sistema foi tratada através da geração de confôrmeros que amostram os graus de liberdade dos ligantes descritos como semi-rígidos e através de potenciais atenuados que suavizam a superfície de energia de interação, permitindo interações em distâncias interatômicas antes repulsivas. Como ponto de partida, os métodos implementados no programa LiBELa demonstraram resultados satisfatórios nos testes de cross- e self-docking, mostrando ser uma ferramenta eficiente em encontrar os modos de ligação cristalográficos de forma equivalente ou até melhor às dos programas comparados. Através de testes de enriquecimento nos conjuntos de dados DUD, DUDE e CM-DUD, foram otimizadas de forma sistemática as constantes dielétrica, do termo de solvatação, e dos termos de atenuação. Também foi realizado um paralelo entre as funções de pontuação, incluindo a atenuação e o termo de solvatação. Estes mesmos testes mostraram resultados superiores do LiBELa de 39% e 15% em comparação com um programa baseado puramente no receptor (DOCK 6.6), relativo à média da área sob a curva em escala semi-logarítmica nas bases de dados DUDE e DUD respectivamente. Apesar da função de solvatação SV implementada no LiBELa apresentar boa correlação com dados experimentais (r=0,72) e com o modelo Zou GB de solvatação (r=0,88), não apresentou correlação significativa com os métodos GB e PB implementados no pacote de programas disponível no AmberTools. Comparadas às funções de pontuação do LiBELa, as funções com correção para solvatação apresentaram pior enriquecimento, salvo alguns alvos específicos. Por fim, foram realizados ensaios de docagem molecular utilizando como alvo uma enzima β-galactosidase da família GH42, cuja estrutura fora resolvida em nosso grupo. Os resultados permitiram conclusões acerca de como o modo de ligação interfere na preferência de ligação entre dissacarídeos de ligações glicosídicas distintas, consistentes com dados experimentais de ensaios cinéticos de ligação. / Modeling the interactions between macromolecules and ligands still faces several challenges in the computer-aided drug design area. Despite the growth in the area, subjects such as receptor flexibility, scoring functions and solvation still have been widely explored in the scientific community. In order to analyze the interaction for thousands or millions of complexes, a good harmonization between the computational cost and the accuracy of the calculation methods in molecular docking programs is essential. LiBELa (Ligand Binding Energy Landscape) is a hybrid approach program that uses both ligand and receptor information for ligand docking. Initially, the steric and electrostatic characteristics from a reference binder (crystallographic, for example) are used to similarity and overlay calculations, thus obtaining an initial conformation of the ligand tested. Then, within the receptor´s active site, the interaction energy is minimized using energetic potentials. Four force field-based scoring functions were tested and optimized, composed of van der Waals and Coulomb potentials and an empirical solvation function called Stouten-Verkhivker (SV). Concerning the system flexibility, besides the confomers generation that sample the degrees of freedom for semi-rigid ligands, attenuated potentials smooth the energy surface allowing interactions between previously repulsive interatomic distances. As a starting point, LiBELa performed satisfactorily in the cross- and self-docking tests, showing that is an eficient tool to reproduce crystallographic binding modes equivalently to or even better than reference programs. Through enrichment of DUD, DUDE and CM-DUD datasets, the dielectric constant, solvation and softening terms were systematically optimized. It also allowed a parallel between scoring functions, including attenuation and solvation term. Finally, it revealed the LiBELa showed an enhancement of 39% and 15% as compared to the purely receptor-based program DOCK 6.6, relative to the mean of the area under the curve on a semi-logarithmic scale in the DUDE and DUD databases respectively. Although the SV solvation function implemented in LiBELa showed good correlations with experimental data (r = 0.72) and with the Zou GB / SA solvation method implemented in DOCK6 (r = 0.88), it did not show significant correlation with the GB/SA and PB/SA methods implemented in AmberTools. Comparing all the LiBELa tested scoring functions, those including solvation correction showed worse enrichments, except for some specific targets. Finally, molecular docking experiments using LiBELa were conducted with a β-galactosidase from GH42 family, whose structure was solved in our group. The results allowed conclusions concerning how the binding mode interferes the preference for some disaccharides of distinct glycosidic bonds, consistent with experimental data from kinetic assays.

Submitted by Jean Medeiros (jeanletras@uepb.edu.br) on 2018-04-03T17:12:16Z No. of bitstreams: 1 PDF - Jamire Muriel da Silva.pdf: 79224513 bytes, checksum: ff26bbe18b441c71eeb70cb1f6f88b39 (MD5) / Approved for entry into archive by Secta BC (secta.csu.bc@uepb.edu.br) on 2018-04-10T15:03:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 PDF - Jamire Muriel da Silva.pdf: 79224513 bytes, checksum: ff26bbe18b441c71eeb70cb1f6f88b39 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-10T15:04:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PDF - Jamire Muriel da Silva.pdf: 79224513 bytes, checksum: ff26bbe18b441c71eeb70cb1f6f88b39 (MD5) Previous issue date: 2018-02-28 / A highly efficient drug that does not cause collateral damage in the treatment of varied types of cancer has been the desire of many study groups. Over the years, this has been arousing the academic interest worldwide in the search for healing or less harmful and more effective treatments. In this perspective, this work sought the development of a series of new acrylate derivatives coupled to nitrogenous nuclei with potential antitumor action, in the perspective of obtaining compounds with high potentiality and specificity. Therefore, 11 new acrylate derivatives coupled to acridine, quinolinic, indolic and pyridine nuclei have been planned and developed, 10 of which are inedited in the literature. The compounds were obtained from the condensation of different aromatic aldehydes with different reactive methylene groups through a Knovenagel type reaction in ethanolic and basic medium. Fifteen compounds were obtained, four of them intermediates (JM-01, AC-01, ACN-01 and AC-02) and 11 final compounds that presented yields of 51-86% and melting range ranging from 1 to 4 ºC, which gives a certain guarantee of the purity of the products. The structures of the obtained derivatives were elucidated by infrared-IR techniques, mass spectrometry and by 1H NMR and 13C NMR spectroscopy, showing absorption bands characteristic of the functional groupsproposed in the structures, especially the bands and signals of the common vinyl hydrogen in all compounds ranging from 5.73 to 9.30 ppm, thus proving the success of the proposed synthesis. The mass spectra corroborated with the success of the syntheses, presenting masses with expected values. The derivatives were submitted to a docking study, with scores varying from -58.8549 to -16.1303, with the best results being attributed to ICIP, ACMD, PAIP and CAIC derivatives. Interaction tests with DNA were performed by means of an evaluation of absorbance spectroscopy, observing the interaction of the compounds with the targets. In the analysis of interaction with DNA, four of them (ICIP, CAQA, CAAC and ACIP) showed interaction with DNA shifting the wavelength. Among of all derivatives, the ICIP stood out for the good results, both in the docking study, with value close to the reference drug, and with interaction with DNA, by presenting hyperchromic effect, allowing an interaction on both sides of the molecule, and also for being a inedited compound. This molecule presents itself as promising compound for the continuity of the evaluations as a drug candidate. / Um fármaco altamente eficiente e que não provoque danos colaterais no tratamento dos mais diversos tipos de câncer tem sido o desejo de muitos grupos de estudos. E isso, vem a cada ano despertando o interesse acadêmico mundial em busca da cura ou de tratamentos menos nocivos e mais eficazes. Nessa perspectiva, este trabalho buscou o desenvolvimento de uma série de novos derivados acrilatos acoplados a núcleos nitrogenados com potencial ação antitumoral, na perspectiva de obtenção de compostos com elevada potencialidade e especificidades. Para tanto, planejou-se e desenvolveu-se 11 novos derivados acrilatos acoplados a núcleos acridínicos, quinolínicos, indólicos e piridínicos dos quais 10 são inéditos na literatura. Os compostos foram obtidos a partir da condensação de diferentes aldeídos aromáticos com diferentes grupos metilenos reativos através de uma reação do tipo Knovenagel em meio etanólico e básico. Foram obtidos 15 compostos sendo quatro deles intermediários (JM-01, AC-01, ACN-01 E AC-02) e 11 compostos finais que apresentaram rendimentos de 51 a 86 %, e faixa de fusão variando de 1 a 4 ºC que dão certa garantia de pureza dos produtos. As estruturas dos derivados obtidos foram elucidadas por técnicas infravermelho-IV, espectrometria de massas e por espectroscopia de RMN de 1^H e 13^C apresentando bandas de absorção características dos grupos funcionais propostos nas estruturas, principalmente as bandas e sinais do hidrogênio vinílico comum em todos os compostos variando entre 5,73 e 9,30 ppm comprovando assim o sucesso da síntese proposta. Os espectros de massas vieram mais ainda corroborar com o sucesso das sínteses, apresentando massas com valores esperados. Os derivados foram submetidos a estudo de docking apresentando scores variando de -58,8549 a -16,1303 destacando-se com melhores resultados os derivados ICIP, ACMD, PAIP e CAIC. Os testes de interação com, DNA foram realizados através de avaliação de espectroscopia de absorbância observando a interação dos compostos com os alvos. Nas análises de interação com DNA, verificou-se que quatro delas o ICIP, CAQA, CAAC e ACIP apresentaram interação com DNA deslocando o comprimento de onda. De todos os derivados, o ICIP se destacou pelos bons resultados, tanto no estudo de docking com valor próximo ao fármaco de referência, como com interação com DNA apresentando efeito hipercrômico, possibilitando uma interação pelos dois lados da molécula, e também por ser um composto inédito. Esse composto se apresenta com promissor para a continuidade das avaliações como candidatos a fármacos.

Nesse trabalho, o docking e a dinâmica molecular foram utilizados como métodos de investigação das formas de interação entre um oligonucleotídeo de B-DNA e duas novas Bases de Tröger fluorescentes, com o propósito de verificar sua potencialidade como sondas biológicas. Para o docking molecular foi utilizado o protocolo descrito por Ricci et. al. (2009), que demonstrou ser um método promissor para reconhecer os modos de ligação e descrever a interação entre as Bases de Tröger e os oligonucleotídeos. Os complexos obtidos a partir dos docking foram utilizados como ponto de partida para as simulações de dinâmica molecular usando o programa GROMACS e o campo de força AMBER03, como descrito por Ricci et. al. (2010). A análise dos resultados das simulações mostraram a possibilidade, de que as Bases de Tröger podem interagir de maneiras diferentes com o oligonucleotídeo com preferência pela interação com sulco menor desse receptor. Durante todas as simulações os ligantes mantiveram-se com uma forte interação com o oligonucleotídeo, sem causar a desnaturação do mesmo. Globalmente, os resultados sugerem que as Bases de Tröger podem interagir com o sulco menor do oligonucleotídeo mas também são capazes de interagir como intercaladores. Devido as fortes interações, e també as propriedades fotofísicas (das Bases de Tröger propostas nesse trabalho), essas moléculas podem atuar como possíveis sondas biológicas. / In this work, docking and molecular dynamics simulations were used to ingestigate the interaction between a B-DNA oligonucleotide and two fluorescent Tröger´s bases, in order to verify their potential use as biological probes. For dockings was used protocol described by Ricci et. al. (2009), which proved to be a promising method to recognize the binding modes and describe the interaction between this class of compounds and the oligonucleotide. The complexes obtained from dockings were used as starting point for molecular dynamics simulations using GROMACS and the AMBER03 Force Field, as described by Ricci et. al. (2010). The analyzes of the simulation results showed the possibility that the Tröger Bases can interact in different ways with the oligonucleotide, with some preference for this receptor´s minor groove. During all simulations the ligands have maintained a strong interaction with the oligonucleotide, without causing denaturation of the same. Overall, the results suggest that Tröger´s Bases may interact with the minor groove of olinucleotide but are also able to interact as an intercalator, depending upon the substituents present. Due to the strong interactions, and also the peculiar photophysical properties, this class of molecules may act as a potential DNA probe.

Neste trabalho foi realizado o estudo por docagem e simulação de dinâmica molecular de doze derivados benzazólicos fluorescentes por ESIPT, interagindo com o dodecâmero de Dickerson-Drew na forma B-DNA. Estes doze ligantes foram divididos em dois grupos (A e B), sendo o primeiro grupo composto por derivados do 2-(2’-hidroxifenil)-benzoxazol e o segundo grupo composto por três derivados do 2-(4’-amino-2’-hidroxifenil)-benzazóis, alternando entre N, S e O no anel azólico, mais três bases de Tröger derivadas dos mesmos. Na análise da docagem molecular do grupo A, os derivados com grupamento –NH2 no anel fenólico apresentaram energias de interação mais favoráveis com o DNA, verificando um favorecimento ainda maior, para os ligantes que continham –NO2 como substituinte no anel benzoxazólico. Na análise da docagem molecular para grupo B, as bases de Tröger (4ac) apresentaram interações significativamente mais favoráveis, quando comparados com seus respectivos precursores (3ac). Na análise da DM, tanto o grupo A, quanto o B, apresentaram a formação de complexos estáveis. O grupo A apresentou uma indução a alterações estruturais mínimas no DNA, sendo as maiores alterações a abertura do Rise quando os ligantes estavam intercalados, acompanhado pelo desenrolamento do parâmetro Twist. Nas interações de sulco menor, o ligante 2a foi o que formou o complexo mais estável com o DNA. Na análise da DM do grupo B, as bases de Tröger apresentaram uma preferência maior por interações do tipo intercalação que seus precursores, sendo os primeiros, os quais induziram o oligonucleotídeo a maiores alterações estruturais. Durante todas as simulações os ligantes mantiveram-se com uma forte interação com o oligonucleotídeo, sem causar a desnaturação do mesmo. Devido às interações estáveis, e também as propriedades fotofísicas peculiares dos ligantes estudados, esta classe de moléculas pode atuar como possíveis sondas biológicas. / In this work we carried out a study by docking and molecular dynamics simulations of twelve ESIPT-fluorescent benzazoles, interacting with the Dickerson-Drew dodecamer in the canonical B-DNA form. These twelve ligands were divided into two groups (A and B), with the first group consisting of derivatives of 2-(2’-hydroxphenyl)-benzoxazole and the second group consisting of three derivatives of 2-(4’-amino-2’-hydroxyphenyl)-benzazoles, alternating between N, S and O in the azole ring and three Tröger bases derived from them. In the analysis of the molecular docking of group A, the derivatives with group –NH2 in the phenolic ring presented more favorable interaction energies with the DNA, and the score was even more favorable for the ligands which contained –NO2 as substituent in the benzoxazolic ring. In the analysis of the molecular docking for group B, the Tröger bases (4ac) presented significantly more favorable interactions, when compared with their respective precursors (3ac). In the analysis of the DM, both groups A and B formed stable complexes. Group A induced only slight structural distortions in the DNA, being the largest modifications the increase of the Rise parameter when the ligands were intercalated, accompanied by the unwinding of Twist parameter. Regarding minor groove interactions, the ligand 2a formed the most stable complex with the DNA. In the analysis of the DM both groups A and B, the Tröger bases presented a greater preference for intercalation interactions than their precursors and the Tröger bases induced the largest structural changes to the oligonucleotide. During all the simulations the ligands maintained a strong interaction with the oligonucleotide, without causing the denaturation of the same. Due to the stable interactions, and also the peculiar photophysical properties of the ligands studied, this class of molecules can act as possible biological probes.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-11-03T12:46:00Z No. of bitstreams: 2 Disssertação - Fausto Guimarães Costa - 2015.pdf: 7717372 bytes, checksum: 0c97192720a82947f88e00adcc4dc90b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-11-03T12:47:31Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Disssertação - Fausto Guimarães Costa - 2015.pdf: 7717372 bytes, checksum: 0c97192720a82947f88e00adcc4dc90b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-03T12:47:31Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Disssertação - Fausto Guimarães Costa - 2015.pdf: 7717372 bytes, checksum: 0c97192720a82947f88e00adcc4dc90b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2015-04-16 / Paracoccidioidomycose / A Paracoccidioidomicose...

Vários problemas do mundo real podem ser analisados como problemas de otimização. Na bioinformática, em especial, como exemplos podem ser citados o alinhamento múltiplo de sequências, a filogenia, a predição de estruturas de proteínas e RNA, entre outros. As Meta-heurísticas Populacionais (MhP) são técnicas baseadas em interações de conjuntos de soluções candidatas, como elementos de uma população, utilizadas na otimização de funções. Seu uso é especialmente interessante na otimização de problemas onde há conhecimento parcial ou nenhum do espaço de busca. O objetivo deste trabalho é investigar o uso de auto-organização da população de um sistema imunológico artificial (AIS) a fim de aplicá-lo no problema de docking, que pode ser visto como um problema de otimização multimodal complexo. O AIS é um tipo de MhP inspirado na microevolução do sistema imunológico adaptativo de organismos complexos. Neste, as soluções candidatas representam células do sistema imunológico que busca se adaptar para a eliminação de um patógeno. O desenvolvimento do algoritmo foi baseado no opt-aiNet, que utiliza dos princípios das teorias de seleção clonal e maturação de afinidade para realizar a otimização de funções. Adicionalmente, o opt-aiNet, inspirado na teoria de redes imunológicas, realiza uma etapa de supressão, que busca eliminar soluções semelhantes, aumentando assim a diversidade populacional. Esta etapa é computacionalmente custosa, dado que é feito o cálculo da distância entre todos os possíveis pares de células (soluções) afim de eliminar aquelas próximas de acordo com um dado critério. A proposta deste trabalho é o desenvolvimento de um algoritmo de supressão auto-organizável, inspirado no fenômeno da criticalidade auto-organizada, buscando diminuir a influência da seleção de parâmetros e a complexidade da etapa de supressão. O algoritmo proposto foi testado em um conjunto de funções contínuas conhecidas e comumente utilizadas pela comunidade de computação evolutiva. Os resultados obtidos foram comparados com aqueles de uma implementação do opt-aiNet. Em adição, foi proposta a utilização de operadores de mutação com distribuição q-gaussiana nos AISs desenvolvidos. O algoritmo foi também aplicado no problema de docking rígido baseado em complementaridade de superfícies e minimização de colisões, especificamente no docking de proteínas. Os resultados foram comparados com aqueles de um algoritmo genético, resultando em um melhor desempenho obtido pelo algoritmo proposto. / Many real world problems can be described as optimization problems. In bioinformatics in special, there is multiple sequence alignment, filogeny and RNA and Protein structure prediction, among others. Population based metaheuristics are techniques based in the interaction of a set of candidate solutions as elements of a population. Its use is specially interesting in optimization problems where there is little or no knowledge of the search space. The objective of this work is to study the use of self-organization of population in an artificial imune system for use in the docking problem, considered a complex multimodal optimization problem. The artificial imunme system is a type of population based methaheuristics inspired in the microevolution of the adaptive immune system of complex organisms. Candidate solutions represent cells of the immune system adapting its antibodies to eliminate a pathogen. The development of the algorithm was based in the opt-aiNet, based in the principles of clonal selection and affinity maturation for function optimization. Additionally, the opt-aiNet, inspired in theories of immune network, makes a suppression stage to eliminate similiar solutions and control diversity. This stage is computationally expensive as it calculates the distance between every possible pair of cells (solutions) eliminating those closer than a threshold. This work proposes a self-organized suppression algorithm inspired in the self-organized criticality, looking to minimize the influence of parameter selection and complexity of the suppression stage in opt-aiNet. The proposed algorithm was tested in a set of well-known functions in the evolutionary computation community. The results were compared to those of an implementation of the opt-aiNet. In addition, we proposed a mutation operator with q-Gaussian distribution for the artificial immune systems. The algorithm was then applied in the rigid protein docking problem based in surface complementarity and colision avoidance. The results were compared with a genetic algorithm and achieved a better performance.

Magister Pharmaceuticae - MPharm / Malaria disease poses substantial health risks to many nations, especially in Africa, where it primarily affects pregnant women, children, and immunocompromised patients. However, current antimalarial drugs have limitations such as low safety profile and particularly widespread treatment failure due to the increasing resistance of Plasmodium falciparum, the major causative organism to artemisinin-based therapy (ACT) and other chemotherapeutics. In the light of this, there is a pressing need for new antimalarial drugs with novel mechanisms of action and satisfactory pharmacokinetic properties, which has led to the current study. Furthermore, current antimalarial drugs target specific stages of the Plasmodium life cycle. For instance, chloroquine targets the erythrocytic stage while primaquine targets the liver stage. However, these therapies cannot achieve complete elimination of the parasite once the life cycle has been established in the body. Hence, the goal of this study is to combat resistance by finding novel compounds that can bind to a multiple-staged protein in Plasmodium falciparum. Based on this consideration, falstatin was chosen as the protein target for this study because it was observed to play a crucial role in the degradation of haemoglobin, rupture of erythrocytes by mature schizonts, and subsequent invasion of erythrocytes by free merozoites. Hence, the protein, falstatin can be targeted to inhibit cell growth and cause plasmodial cell death in merozoites as well as schizonts of Plasmodium falciparum. Therefore, it is intended that compounds that bind to falstatin could serve as novel antimalarials that target multiple stages of the Plasmodium life cycle. Consequently, this study explored the structure-based virtual screening approach to identify compounds that could bind to the protein target, falstatin in Plasmodium falciparum. An extensive literature review identified falstatin as the multi-staged drug target for this study, while homology modelling was used to generate the three-dimensional structure of falstatin. Molecular docking was conducted to predict the binding energy of compiled antiplasmodial compounds to falstatin while druglikeness analysis was used to prioritize compounds according to their ADMET (absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity) properties. The top-ranked compound, based on a novel ligand scoring function, was then subjected to molecular dynamics (MD). Following this step, rescoring analysis was performed on the top 5 compounds using the Molecular Mechanics-Generalized Born Surface Area (MM-GBSA) scoring function to gain insight into their component binding energies. Thereafter, a pharmacophore hypothesis was developed based on the 5 top-ranking compounds in order to screen other compound libraries in the future. From the results, TCMDC 131646, TCMDC-124274, TCMDC-138266, TCMDC 123844 and TCMDC 131234 possessed good binding energies and satisfactory ADMET properties showing high ligand scores of 77.1, 75.4, 75.4, 75.4 and 73.1 respectively (on a total scale of 100). Also, the study revealed that the top-ranked compound, TCMDC 131646 had a binding energy of -6.15 KJ/mol, contained no toxicophore and conformed to Lipinski, Egan and Muegge rules of druglikeness. Findings from the MD simulation demonstrated that TCMDC 131646 strongly interacted with the protein, falstatin. Morealso, the study revealed that TCMDC 131646 is structurally diverse from chloroquine, artemisinin, artemether and lumefantrine, indicating that it may possess a distinct mechanism of action. The rescoring analysis of TCMDC-131646, TCMDC 124274, TCMDC-138266, TCMDC 123844 and TCMDC 131234 predicted negative binding energies ≤ -4.662 KJ/mol for the top compounds, further indicating that these compounds are likely to bind strongly with falstatin. Additionally, the developed pharmacophore hypothesis contained -H-N-C=O and N-H moieties which strongly suggested that the presence of electron-withdrawing groups could be vital for the inhibition of falstatin at the active site. Overall, TCMDC 131646 was predicted to be a drug-like and safe compound that could inhibit falstatin in Plasmodium falciparum. Chemical-disease co-occurrence analysis in literature revealed that this compound showed in-vitro antiplasmodial activity at an IC50 of 0.226μM and has also shown in vitro activity for neuralgia, hyperalgesia and arthritis. The research recommends TCMDC 131646 as a potential antimalarial hit compound that could yield novel analogues by hit expansion. However, confirmatory in-vitro and in-vivo studies are required to substantiate these predictions

Dans la cellule, les protéines évoluent dans un environnement très dense et interagissent ainsi avec un grand nombre de partenaires spécifiques et non-spécifiques qui entrent en compétition. L’objectif de ma thèse est de caractériser les propriétés physiques et évolutives des surfaces protéiques pour comprendre comment la pression de sélection s’exerce sur les protéines, façonnant leurs interactions et régulant ainsi cette sévère compétition.Pour cela, j’ai développé une méthodologie permettant de caractériser la propension des protéines à interagir avec les protéines de leur environnement, par des approches de docking. La cartographie moléculaire permettant la visualisation et la comparaison des propriétés de la surface des protéines, j’ai donc mis en place un nouveau cadre théorique basé sur une représentation des paysages énergétiques d'interaction par des cartes d'énergies. Ces cartes (en deux dimensions) reflètent de manière synthétique la propension des surfaces protéiques à engager des interactions avec d’autres protéines. Elles sont donc d’un grand intérêt pratique pour déterminer les régions des surfaces protéiques les plus enclines à engager des interactions avec d’autres molécules.Ce nouveau cadre théorique a permis de montrer que les surfaces des protéines comprennent des régions de différents niveaux d'énergies de liaison (régions chaudes, intermédiaires et froides pour les régions d'interaction favorables, intermédiaires et défavorables respectivement).Une partie importante de la thèse a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et évolutives de ces différentes régions. L'autre partie a consisté à appliquer cette méthode sur plusieurs systèmes : complexes homomériques, protéines du cytosol de S. cerevisiae, familles d'interologues. Ce travail ouvre la voie à un grand nombre d'applications en bioinformatique structurale, telles que la prédiction de sites de liaison, l’annotation fonctionnelle ou encore le design de nouvelles interactions.En conclusion, la stratégie mise en place lors de ma thèse permet d’explorer la propension d’une protéine à interagir avec des centaines de partenaires d'intérêts, et donc d'investiguer le comportement d’une protéine dans un environnement cellulaire spécifique. Cela va donc au-delà de l'utilisation classique du docking "binaire" puisque notre stratégie fournit une vision systémique des interactions protéiques à l’échelle des "résidus". / In the crowded cell, proteins interact with their functional partners, but also with a large number of non-functional partners that compete with the functional ones. The goal of this thesis is to characterize the physical properties and the evolution of protein surfaces in order to understand how selection pressure exerts on proteins, shaping their interactions and regulating this severe competition.To do this I developed a framework based on docking calculations to characterize the propensity of protein surfaces to interact with other proteins. Molecular cartography enables the visualization and the comparison of surface properties of proteins. I implemented a new theoretical framework based on the representation of interaction energy landscapes by 2-D energy maps. These maps reflect in a synthetic manner the propensity of the surface of proteins to interact with other proteins. These maps are useful from a practical point view for determining the regions of protein’s surface that are more prone to interact with other proteins. Our new theoretical framework enabled to show that the surface of proteins harbor regions with different levels of propensity to interact with other proteins (hot regions, intermediate and cold regions to favorable, intermediate and unfavorable regions respectively).A large part of this thesis work consisted in characterizing the physico-chemical properties and the evolution of these regions. The other part of this thesis work consisted in applying this methodology on several study systems: homomeric complexes, cytosolic proteins from S. cerevisiae, families of interologs. This work opens the way to numerous practical applications in structural bioinformatics, such as binding site prediction, functional annotation and the design of new interactions.To conclude, the strategy implemented in this work enable the exploration of the propensity of a protein to interact with hundred of protein partners. It thus enables the investigation of the behavior of a protein in a crowded environment. This application goes beyond the classical use of protein docking as a, because our strategy provides a systemic point of view of protein interactions at an atomic resolution.