Fundação Araucária / A Predição da Estrutura das Proteínas, conhecida como PSP (Protein Structure Prediction) pode ser considerada um dos problemas mais desafiadores da Bioinformática atualmente. Quando uma proteína está em seu estado de conformação nativa, a energia livre tende para um valor mínimo. Em geral, a predição da conformação de uma proteína por métodos computacionais é feita pela estimativa de dois valores de energia livre que são provenientes das interações intra e intermoleculares entre os átomos. Alguns estudos recentes indicam que estas interações estão em conflito, justificando o uso de abordagens baseadas em otimização multiobjetivo para a solução do PSP. Neste caso, a otimização destas energias é realizada separadamente, diferente da formulação mono-objetivo que considera a soma das energias. A Evolução Diferencial (ED) é uma técnica baseada em Computação Evolucionária e representa uma alternativa interessante para abordar o PSP. Este trabalho busca desenvolver um otimizador baseado no algoritmo de ED para o problema da Predição da Estrutura de Proteínas multiobjetivo. Este trabalho investiga ainda estratégias baseadas em parâmetros adaptativos para a evolução diferencial. Nicialmente avalia-se uma abordagem simples baseada em ED proposta para a solução do PSP. Uma evolução deste método que incorpora conceitos do algoritmo MOEA/D e adaptação de parâmetros é testada em um conjunto de problemas benchmark de otimização multiobjetivo. Os resultados preliminares obtidos para o PSP (para seis proteínas reais) são promissores e aqueles obtidos para o conjunto benchmark colocam a abordagem proposta como candidata para otimização multiobjetivo. / Protein Structure Prediction (PSP) can be considered one of the most challenging problems in Bioinformatics nowadays. When a protein is in its conformation state, the free energy is minimized. Evaluation of protein conformation is generally performed based on two values of the estimated free energy, i.e., those provided by intra and intermolecular interactions among atoms. Some recent experimental studies show that these interactions are in conflit, justifying the use of multiobjective optimization approaches to solve PSP. In this case, the energy optimization is performed separately, different from the mono-objective optimization which considers the sum of free energy. Differential Evolution (DE) is a technique based on Evolutionary Computation and represents an interesting alternative to solve multiobjective PSP. In this work, an optimizer based on DE is proposed to solve the PSP problem. Due to the great number of parameters, typical for evolutionary algorithms, this work also investigates adaptive parameters strategies. In experiments, a simple approach based on ED is evaluated for PSP. An evolution for this method, which incorporates concepts of the MOEA/D algorithm and parameter adaptation techniques is tested for a set of benchmarks in the multiobjective optimization context. The preliminary results for PSP (for six real proteins) are promising and those obtained for the benchmark set stands the proposed approach as a candidate to the state-of-art for multiobjective optimization.

Lisozimas são enzimas que fazem parte do mecanismo de defesa contra bactérias, no entanto lisozimas com função digestiva também são encontradas no trato digestivo de vertebrados e no intestino médio de insetos. As lisozimas digestivas de insetos são do tipo c e assim compartilham semelhanças estruturais e mecanísticas com a lisozima da clara de ovo de galinha (HEWL). Entretanto, para desempenhar sua função digestiva, as lisozimas de insetos apresentam algumas propriedades particulares entre as quais se destaca um pH ótimo mais ácido em relação às lisozimas não-digestivas. Para elucidar as bases moleculares dessa diferença no pH ótimo, duas lisozimas digestivas (lisozima 1 AAQ20048 e lisozima 2 AAQ20047) da larva de Musca domestica (mosca Diptera Cyclorrhapha), clonadas em Pichia pastoris e purificadas, foram caracterizadas estruturalmente e cineticamente com o substrato sintético (MUQ3) e natural (cápsulas de Micrococcus lysodeikticus). Foi observado que o efeito do pH na atividade das lisozimas 1 e 2 sobre o MUQ3 é uma curva com formato de sino e pH ótimo mais ácido que o da HEWL. Essas curvas foram reflexos da diminuição simultânea dos valores de pKas do nucleófilo e do doador de prótons. Estruturas cristalográficas das lisozimas digestivas de Musca domestica foram obtidas a 1,9 Å e análise comparativa com a estrutura terciária da HEWL revelou resíduos de aminoácidos no ambiente do nucleófilo (N46) e do doador de prótons (S106 e T107) que podem estar envolvidos na modulação das constantes de ionização dos resíduos essenciais à catálise. Esses resíduos foram substituídos via mutagênese sítio-dirigida por D, V e A respectivamente e três mutantes simples (N46D, S106V e T107A) e um triplo (N46DS106V- T107A) foram produzidos e purificados. Caracterização revelou que as contribuições individuais da N46, S106 e T107 foram pequenas e próximas do limite de detecção da técnica utilizada. Por outro lado, o conjunto dos 3 aminoácidos foi responsável pelo pH ótimo ácido frente ao substrato sintético, elevando os valores de pKas do nucleófilo e doador de prótons para valores muito semelhantes ao da HEWL. Diferentemente, essa tripla mutação não foi suficiente para elevar o pH ótimo da lisozima 2 sobre cápsulas de Micrococcus lysodeikticus para valores próximos àqueles de HEWL, sugerindo que as bases moleculares do pH ótimo frente ao substrato natural e sintético são diferentes. Uma comparação estrutural entre lisozima 1 e HEWL sugere que os resíduos de aminoácidos carregados na superfície dessas lisozimas sejam importantes para determinação do pH ótimo. A investigação dessa hipótese foi feita substituindo 5 aminoácidos neutros e 1 ácido, via mutagênese sítio-dirigida, por resíduos básicos. A caracterização do mutante sêxtuplo revelou um aumento significativo nos valores de pH ótimo da lisozima 1, indicando que a redução da basicidade da superfície das lisozimas digestivas é determinante para seus pHs ótimos ácidos. / Lysozymes are enzymes that are part of the defence mechanism against bacteria, however lysozymes with digestive function are also found in the digestive tract of vertebrates and in the insect midgut. The digestive lysozymes from insects are c type, so they share similar structural and mechanistic characteristics with hen egg-white lysozyme (HEWL). However, to perform their digestive function, insect lysozymes present some particular properties among them a more acidic pH optimum than that of non-digestive lysozymes. To elucidate the molecular basis of this pH optimum difference, two digestive lysozymes (lysozyme 1 AAQ20048 and lysozyme 2 AAQ20047) from Musca domestica larvae (housefly Diptera Cyclorrhapha), cloned in Pichia pastoris and purified, were structurally and kinecticly characterized with synthetic (MUQ3) and natural (lyophilized cells of Micrococcus lysodeikticus) substrates. It was observed that the pH effect on the activity of lysozymes 1 and 2 upon MUQ3 is a bell shaped curve exhibiting a more acidic pH optimum than that of HEWL. These curves result from simultaneous decrease of pKas values of the nucleophile and proton donor. Crystallographic structures of these digestive lysozymes from Musca domestica were obtained at 1.9 Å and comparative analysis with the terciary structure of HEWL revealed amino acid residues in the catalytic nucleophile (N46) and proton donor environment (S106 and T107) that may be involved in the modulation of ionization constants of those catalytic residues. N46, S106, and T107 were replaced via site-directed mutagenesis by D, V and A respectively and three simple (N46D, S106V and T107A) and one triple (N46D-S106V-T107A) mutants were produced and purified. Their characterization revealed that the individual contributions of N46, S106 and T107 were small and close to the detection borderline of the technique utilized. On the other hand, a set of these 3 amino acids was responsible by acidic pH optimum upon synthetic substrate, increasing the pKas values of nucleophile and proton donor to similar values to that of the HEWL. Differently, this triple mutation was not enough to increase the pH optimum of lysozyme 2 upon lyophilized cells of Micrococcus lysodeikticus to values close to those of HEWL, suggesting that the molecular bases of pH optimum upon natural and synthetic substrates are different. A structural comparison between lysozyme 1 and HEWL suggests that the charged amino acid residues on the surface of these lysozymes are important for pH optimum determination. The investigation of this hypothesis was done replacing 5 neutral and 1 acidic amino acids, via site-directed mutagenesis, by basic residues. The characterization of this mutant revealed a significant increase in the pH optimum values of lysozyme 1, suggesting that the reduction of basicity on the surface of the digestive lysozymes is a important factor in the determination of their acidic pH optimum.