L'enjeu des travaux effectués au cours de cette thèse est l'extraction in silico de molécules potentiellement intéressantes dans le processus d'inhibition du récepteur tyrosine kinase c-Met. La faculté de cette protéine à interagir dans les phénomènes d'embryogenèse et de réparation tissulaires rendent son inhibition cruciale dans les traitements contre les développements tumoraux où c-Met se trouve impliquée. Pour cela, la stratégie employée implique l'utilisation de méthodes in silico de conception rationnelle de médicaments. Nous avons utilisé comme support les multiples structures cristallographiques publiées sur la ProteinData Base. Un travail de modélisation par homologie fut tout d'abord nécessaire pour combler les lacunes des structures cristallographiques collectées. Afin d'échantillonner au mieux l'espace conformationnel de la kinase c-Met et de caractériser sa flexibilité, une longue campagne de simulation de Dynamique Moléculaire fut menée. Pour compléter ces simulations, nous avons également utilisé la méthode des modes normaux de vibration. De ces 2 approches, nous avons extrait un ensemble de 10 conformères considérés comme les plus représentatifs de l'espace conformationnel simulé pour la kinase c-Met et avons proposé un mode de fonctionnement de ce récepteur. Utilisant les conformations représentatives, nous avons ensuite mené une importante campagne de criblage virtuel sur plusieurs chimiothèques constituant environ 70.000 composés. L'analyse des résultats de l'arrimage moléculaire nous a conduits à la sélection de composés intéressants possédant théoriquement une bonne affinité pour la kinase c-Met. Ces molécules ont été soumises aux tests expérimentaux. / The challenge of this PhD work is the in silico identification of potentially interesting molecules concerning the inhibitory process of tyrosine kinase receptor c-Met. The faculty of this protein to interact in embryogenesis and tissue repair phenomena makes its inhibition crucial for treatments against tumor development in which c-Met is involved. For that purpose, the employed strategy involves the use of several in silico methods for rational drug design. As the basement of this work, we used the multiple crystal structures published in the ProteinData Base (PDB). A preliminary homology modeling work was needed to fill gaps in the crystal structures. To sample at best the c-Met kinase conformational space and to characterize its flexibility, a long Molecular Dynamics (MD) simulation campaign was carried out both on apo and holo forms of available crystal structures. To complete these simulations, part of this work consisted to use normal modes of vibration (NM) method. From these two approaches (DM and NM), we extracted a set of 10 conformers considered as the most representative of the kinase simulated conformational space and we suggested a mode of operation of this kinase. Using extracted conformations from the conformational sampling has enabled us to conduct an extensive campaign on several virtual screening libraries constituting a total of approximately 70,000 compounds. Analysis of the molecular docking results has led us to the selection of several theoretically interesting molecules with good potential affinity for c-Met kinase. These molecules were submitted to experimental tests performed by the biologist team associated to our work.

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.

Com o objetivo de buscar e identificar novo(s) inibidor(es) da cruzaína uma cisteíno-protease do Trypanosoma cruzi, o agente etiológico da doença de Chagas foram propostos, validados e, a seguir, aplicados sobre a biblioteca de compostos ZINC (3.294.714 compostos), dois modelos de virtual screening (Modelos I e II). Os modelos de virtual screening propostos, contendo seqüências de filtros físicoquímicos, farmacofóricos, de docking e de seleção por inspeção visual, foram construídos a partir de informações de 13 complexos da cruzaína e de 20 complexos de outras cisteínoprotease, cujas estruturas estão disponíveis no PDB. Numa primeira etapa, o reconhecimento detalhado das características estruturais da cruzaína foi realizado por inspeção visual; pelos campos de interação molecular, gerados pelo programa GRID; pela identificação das propriedades de interação molecular na superfície da cavidade, geradas pelo programa CA VBASE e; por simulações de dinâmica molecular. O Modelo I de virtual screeníng - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína depositadas no PDB - foi aplicado sobre o ZINC, selecionando 10 compostos, dos quais 6 compostos foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para a validação experimental do modelo. Observou-se que 3 destes compostos (ZINC02470662, ZINC02682879 e ZINC03192044, respectivamente) não mostraram inibição significativa da cruzaína, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 7 mM, enquanto que os 3 restantes (ZINC02663001, ZINC01936854 e ZINC03326243, respectivamente) apresentaram inibição enzimática inespecífica, sugerindo que estes últimos agem pelo mecanismo promíscuo. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática, foi verificado pela adição de 0,1% Triton X-100 no ensaio enzimático, observando-se a correspondente perda de inibição da cruzaína. Para estes compostos, a confirmação do mecanismo promíscuo foi feita observando-se a perda de inibição da enzima, após o aumento em dez vezes da concentração da cruzaína no ensaio enzimático. O Modelo II - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína e dos 20 complexos de outras cisteíno-proteases, identificadas na busca por cavidades similares à cruzaína - foi aplicado sobre o banco de dados ZINC,selecionando 55 compostos dos quais 19 foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para validação experimental do modelo. Observou-se que o composto ZINC01794422 apresentou inibição específica da enzima com constante de inibição no valor de Ki = 21 &#181;M, enquanto que os demais 18 compostos não mostraram inibição significativa, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 592 &#181;M. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática não foi observado, uma vez que todos os testes foram realizados com 0,1% de Triton X-100. O Modelo II identificou, ainda, mais dois inibidores da cruzaína (ZINC04899534 e ZINC01547017) que, por serem estruturalmente semelhantes aos utilizados na construção do modelo e já terem sido descritos na literatura, não foram adquiridos ou testados nos ensaios enzimáticos. Considerando apenas o novo inibidor identificado, o Modelo II apresentou uma taxa de acerto de 5,3%. Este valor esta de acordo com as taxas de acerto encontradas na literatura que variam entre 1 a 50% . / In order to search and identify new cruzain inhibitor(s) - a cysteine-protease of Trypanosoma cruzi, the etiologic agent of Chagas disease - two virtual screening schemes(Models I and II) were proposed, validated- and applied to the ZINC database (3.294.714 compounds). The proposed virtual screening models, bearing a sequence of different physicalchemical, pharmacophore and docking filters, as well as a visual inspection filter, were built from information taken from 13 cruzain complexes and from 20 complexes of other cysteine proteases, having their structures available in PDB. In a first step, a detailed recognition of the cruzain structural features and characteristics was performed through visual inspection of the enzyme environment; followed by the analysis of GRID generated molecular interaction fields; through the identification of molecular interaction properties exposed at the enzyme cavity surface, generated by the CAVBASE program; and by molecular dynamics simulations. The virtual screening Model I, - generated from the structural characteristics recognized from 13 PDB cruzain complexes - when applied to the ZINC database selected 10 compounds. For the experimental validation ofthe model, six ofthese compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It was observed that three of the tested compounds (ZINC02470662, ZINC02682879 and ZINC03192044, respectively) did not show any significant cruzain inhibition, up to 7 mM. Meanwhile the other three tested compounds (ZINC02663001, ZINC01936854 and ZINC03326243, respectively) showed an unspecific cruzain inhibition, suggesting that an enzyme inhibition by promiscuous mechanism occurred. This mechanism was verified by the addition of 0.1% Triton X-100 on the enzymatic assay with a concomitant loss of cruzain inhibition activity. For these compounds, the confirmation of the promiscuous mechanism was also done, observing the loss of enzyme inhibition, after a ten times increase in the cruzain concentration on the enzymatic assay. The virtual screenmg Model II - generated from the structural characteristics recognized from 13 cruzain complexes and 20 complexes of other cysteine proteases, that have been identified on a search for cavities similar to cruzain - selected 55 compounds, when applied to the ZINC database. In order to experimentally validate the model, nineteen compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It has been observed that one compound, ZINC01794422, showed a specific cruzain inhibition (Ki = 21 &#181;M), while the other eighteen showed no significant inhibition, up to 592 &#181;M concentration. The promiscuous mechanism of enzymatic inhibition was not observed, since 0.1% of Triton X-100 was added in ali assays. Additionally, Model II identified two other cruzain inhibitors (ZINC04899534 and ZINC01547017). However, these compounds have not been acquired or tested, since they are known cruzain inhibitors - already described in the literature and are structurally similar to the inhibitors used in the construction of the mode!. Referring to new inhibitors found, Model II showed a hit rate of 5,3%. This value is in agreement with those found in the literature, which ranges from 1 to 50%.

Els inhibidors d'entrada del VIH han sorgit recentment com una nova generació de fàrmacs antiretrovirals, els quals bloquegen la unió del virus als co-receptors de membrana CXCR4 i CCR5. S'han desenvolupat diverses molècules petites antagonistes d'aquests co-receptors, algunes de les quals estan actualment en fase d'assaig clínic. No obstant això, donat que no existeixen estructures cristal·logràfiques per aquests co-receptors proteics, és necessari analitzar els modes d'unió d'inhibidors coneguts a la cavitat d'unió extracel·lular dels co-receptors mitjançant experiments de mutagènesi dirigida i estudis computacionals. En general, l'objectiu d'aquestes aproximacions computacionals és cribar un gran nombre de compostos candidats a fàrmacs ràpidament. El cribatge virtual s'ha convertit recentment en un complement útil dels mètodes de cribatge experimentals high-throughput screening per a grans llibreries de compostos. Per tant, en aquesta tesi s'ha portat a terme un protocol de cribatge virtual, mitjançant aproximacions basades en el receptor i en lligands actius coneguts, amb la finalitat de trobar antagonistes de CXCR4 i CCR5 que puguin servir com a potencials inhibidors d'entrada del VIH.Per al cribatge virtual basat en el receptor, s'han millorat els models dels co-receptors CXCR4 i CCR5 construïts a la secció de disseny molecular de l'IQS, i s'han portat a terme assajos preliminars de mode d'unió utilitzant aquests models i lligands coneguts d'elevada afinitat. Així mateix, s'ha analitzat el comportament en el cribatge virtual i en el post-processat de resultats de docking de diferents fingerprints d'interacció en comparació amb els resultats obtinguts per un nou fingerprint d'interacció (APIF) desenvolupat a la secció de disseny molecular de l'IQS.Per al cribatge virtual basat en lligands, s'han comparat models farmacofòrics i diverses aproximacions basades en la forma i propietats moleculars utilitzant lligands d'elevada afinitat com a molècules de referència. A més, s'ha desenvolupat una nova aproximació basada en la forma molecular, la qual s'ha utilitzat per a estudiar en profunditat la hipòtesi de la multi-regió d'unió de la cavitat d'unió extracel·lular del co-receptor CCR5.Tots els mètodes, ja siguin basats en el receptor o en lligands coneguts, s'han aplicat en primer lloc de manera retrospectiva utilitzant una extensa base de dades d'inhibidors de CXCR4/CCR5 i suposats inactius, similars en propietats als actius, recopilada en aquesta tesi. Per a cada receptor, la quimioteca ha estat cribada utilitzat inhibidors coneguts, S'han analitzat els factors d'enriquiment i la diversitat a les llistes finals de hits. A més, s'han portat a terme anàlisis ROC per a ambdós inhibidors de CXCR4 i CCR5 amb la finalitat de comparar l'habilitat del nou algoritme basat en la igualtat de formes de lligands amb la resta d'aproximacions de cribatge utilitzades.Una vegada validades les diferents aproximacions de cribatge i seleccionats els millors paràmetres per a cadascuna d'elles, s'han aplicat les eines de cribatge virtual de manera prospectiva sobre una quimioteca combinatòria dissenyada a la secció de disseny molecular de l'IQS, així com tècniques de disseny de novo de lligands per tal d'identificar nous bloquejadors de l'entrada del VIH a les cèl·lules. / Los inhibidores de entrada del VIH han surgido recientemente como una nueva generación de fármacos antiretrovirales, los cuales bloquean la unión del virus con los co-receptores de membrana CXCR4 y CCR5. Se han desarrollado diversas moléculas pequeñas antagonistas de estos co-receptores, algunas de las cuales están actualmente en fase de ensayo clínico. Sin embargo, dado que no existen estructuras cristalográficas para estos co-receptores proteicos, es necesario analizar los modos de unión de inhibidores conocidos a la cavidad de unión extracelular de los co-receptores mediante experimentos de mutagénesis dirigida y estudios computacionales. En general, el objetivo de estas aproximaciones computacionales es cribar un gran número de compuestos candidatos a fármacos rápidamente. El cribado virtual se ha convertido recientemente en un complemento útil de los métodos de cribado experimentales high-throughput screening para grandes librerías de compuestos. Por lo tanto, en esta tesis se ha llevado a cabo un protocolo de cribado virtual, mediante aproximaciones basadas en el receptor y en ligandos activos conocidos, con el fin de encontrar antagonistas de CXCR4 y CCR5 que puedan servir como potenciales inhibidores de entrada del VIH.Para el cribado virtual basado en el receptor, se han mejorado los modelos de los co-receptores CXCR4 y CCR5 construidos en la sección de diseño molecular del IQS, y se han llevado a cabo ensayos preliminares de modo de unión utilizando estos modelos y ligandos conocidos de elevada afinidad. Asimismo, se ha analizado el comportamiento en el cribado virtual y en el post-procesado de resultados de docking de diferentes fingerprints de interacción en comparación con los resultados obtenidos por un nuevo fingerprint de interacción (APIF) desarrollado en la sección de diseño molecular del IQS.Para el cribado virtual basado en ligandos, se han comparado modelos farmacofóricos y diversas aproximaciones basadas en la forma y propiedades moleculares utilizando ligandos de elevada afinidad como moléculas de referencia. Además, se ha desarrollado una nueva aproximación basada en la forma molecular, la cual se ha utilizado para estudiar en profundidad la hipótesis de la multi-región de unión de la cavidad de unión extracelular del co-receptor CCR5.Todos los métodos, ya sean basados en el receptor o en ligandos conocidos, se han aplicado en primer lugar de manera retrospectiva utilizando una extensa base de datos de inhibidores de CXCR4/CCR5 y supuestos inactivos, similares en propiedades a los activos, recopilada en esta tesis. Para cada receptor, la quimioteca ha sido cribada utilizando inhibidores conocidos, Se han analizado los factores de enriquecimiento y la diversidad en las listas finales de hits. Además, se han llevado a cabo análisis ROC para ambos inhibidores de CXCR4 y CCR5 con el fin de comparar la habilidad del nuevo algoritmo basado en la igualdad de formas de ligandos con el resto de aproximaciones de cribado utilizadas.Una vez validadas las diferentes aproximaciones de cribado y seleccionados los mejores parámetros para cada una de ellas, se han aplicado las herramientas de cribado virtual de manera prospectiva sobre una quimioteca combinatoria diseñada en la sección de diseño molecular del IQS, así como técnicas de diseño de novo de ligandos para identificar nuevos bloqueadores de la entrada del VIH a las células. / HIV entry inhibitors have emerged as a new generation of antiretroviral drugs that block viral fusion with the CXCR4 and CCR5 membrane co-receptors. Several small molecule antagonists for these co-receptors have been developed, some of which are currently in clinical trials. However, because no crystal structures for the co-receptor proteins are available, the binding modes of the known inhibitors within the co-receptor extracellular pockets need to be analyzed by means of site-directed mutagenesis and computational experiments. Generally, the objective of these computational approaches is to screen large numbers of candidate drug compounds rapidly. Virtual screening has recently become a useful complement to laboratory-based high-throughput screening methods for large libraries of compounds. Hence, in this thesis, a virtual screening protocol, using several receptor-based and ligand-based approaches, has been performed to find CXCR4 and CCR5 antagonists that could potentially serve as HIV entry inhibitors.For receptor-based virtual screening, homology models of CXCR4 and CCR5 co-receptors built in our research group have been improved, and preliminary binding mode analyses using these models and high affinity known ligands have been carried out. Also, the performance in virtual screening and docking post-processing of different interaction fingerprints, compared to the results obtained with a new interaction fingerprint (APIF) developed in our research group, has been analysed.For ligand-based virtual screening, pharmacophore modelling and several shape-based and property-based molecular comparison approaches have been compared, using high-affinity ligands as query molecules. Also, a novel consensus shape-based virtual screening approach has been developed and used to investigate and add further evidence for multiple binding sites within the CCR5 extracellular pocket hypothesis.All the receptor-based and ligand-based methods have been firstly applied in a retrospective virtual screening, using a large database of known CXCR4/CCR5 inhibitors and similar presumed inactive molecules assembled in this thesis. For each receptor, the library has been queried using known binders, and the enrichment factors and diversity of the resulting virtual hit lists have been analyzed. Moreover, receiver-operator-characteristic analyses for both CXCR4 and CCR5 inhibitors have been carried out in order to compare the performance of the new consensus shape matching algorithm with the other screening approaches used. Once the different virtual screening approaches have been validated and the best parameters for each one have been selected, prospective virtual screening of a combinatorial library designed by our research group and de novo design methods have been applied to identify new HIV entry blockers.

Com o objetivo de buscar e identificar novo(s) inibidor(es) da cruzaína uma cisteíno-protease do Trypanosoma cruzi, o agente etiológico da doença de Chagas foram propostos, validados e, a seguir, aplicados sobre a biblioteca de compostos ZINC (3.294.714 compostos), dois modelos de virtual screening (Modelos I e II). Os modelos de virtual screening propostos, contendo seqüências de filtros físicoquímicos, farmacofóricos, de docking e de seleção por inspeção visual, foram construídos a partir de informações de 13 complexos da cruzaína e de 20 complexos de outras cisteínoprotease, cujas estruturas estão disponíveis no PDB. Numa primeira etapa, o reconhecimento detalhado das características estruturais da cruzaína foi realizado por inspeção visual; pelos campos de interação molecular, gerados pelo programa GRID; pela identificação das propriedades de interação molecular na superfície da cavidade, geradas pelo programa CA VBASE e; por simulações de dinâmica molecular. O Modelo I de virtual screeníng - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína depositadas no PDB - foi aplicado sobre o ZINC, selecionando 10 compostos, dos quais 6 compostos foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para a validação experimental do modelo. Observou-se que 3 destes compostos (ZINC02470662, ZINC02682879 e ZINC03192044, respectivamente) não mostraram inibição significativa da cruzaína, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 7 mM, enquanto que os 3 restantes (ZINC02663001, ZINC01936854 e ZINC03326243, respectivamente) apresentaram inibição enzimática inespecífica, sugerindo que estes últimos agem pelo mecanismo promíscuo. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática, foi verificado pela adição de 0,1% Triton X-100 no ensaio enzimático, observando-se a correspondente perda de inibição da cruzaína. Para estes compostos, a confirmação do mecanismo promíscuo foi feita observando-se a perda de inibição da enzima, após o aumento em dez vezes da concentração da cruzaína no ensaio enzimático. O Modelo II - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína e dos 20 complexos de outras cisteíno-proteases, identificadas na busca por cavidades similares à cruzaína - foi aplicado sobre o banco de dados ZINC,selecionando 55 compostos dos quais 19 foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para validação experimental do modelo. Observou-se que o composto ZINC01794422 apresentou inibição específica da enzima com constante de inibição no valor de Ki = 21 &#181;M, enquanto que os demais 18 compostos não mostraram inibição significativa, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 592 &#181;M. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática não foi observado, uma vez que todos os testes foram realizados com 0,1% de Triton X-100. O Modelo II identificou, ainda, mais dois inibidores da cruzaína (ZINC04899534 e ZINC01547017) que, por serem estruturalmente semelhantes aos utilizados na construção do modelo e já terem sido descritos na literatura, não foram adquiridos ou testados nos ensaios enzimáticos. Considerando apenas o novo inibidor identificado, o Modelo II apresentou uma taxa de acerto de 5,3%. Este valor esta de acordo com as taxas de acerto encontradas na literatura que variam entre 1 a 50% . / In order to search and identify new cruzain inhibitor(s) - a cysteine-protease of Trypanosoma cruzi, the etiologic agent of Chagas disease - two virtual screening schemes(Models I and II) were proposed, validated- and applied to the ZINC database (3.294.714 compounds). The proposed virtual screening models, bearing a sequence of different physicalchemical, pharmacophore and docking filters, as well as a visual inspection filter, were built from information taken from 13 cruzain complexes and from 20 complexes of other cysteine proteases, having their structures available in PDB. In a first step, a detailed recognition of the cruzain structural features and characteristics was performed through visual inspection of the enzyme environment; followed by the analysis of GRID generated molecular interaction fields; through the identification of molecular interaction properties exposed at the enzyme cavity surface, generated by the CAVBASE program; and by molecular dynamics simulations. The virtual screening Model I, - generated from the structural characteristics recognized from 13 PDB cruzain complexes - when applied to the ZINC database selected 10 compounds. For the experimental validation ofthe model, six ofthese compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It was observed that three of the tested compounds (ZINC02470662, ZINC02682879 and ZINC03192044, respectively) did not show any significant cruzain inhibition, up to 7 mM. Meanwhile the other three tested compounds (ZINC02663001, ZINC01936854 and ZINC03326243, respectively) showed an unspecific cruzain inhibition, suggesting that an enzyme inhibition by promiscuous mechanism occurred. This mechanism was verified by the addition of 0.1% Triton X-100 on the enzymatic assay with a concomitant loss of cruzain inhibition activity. For these compounds, the confirmation of the promiscuous mechanism was also done, observing the loss of enzyme inhibition, after a ten times increase in the cruzain concentration on the enzymatic assay. The virtual screenmg Model II - generated from the structural characteristics recognized from 13 cruzain complexes and 20 complexes of other cysteine proteases, that have been identified on a search for cavities similar to cruzain - selected 55 compounds, when applied to the ZINC database. In order to experimentally validate the model, nineteen compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It has been observed that one compound, ZINC01794422, showed a specific cruzain inhibition (Ki = 21 &#181;M), while the other eighteen showed no significant inhibition, up to 592 &#181;M concentration. The promiscuous mechanism of enzymatic inhibition was not observed, since 0.1% of Triton X-100 was added in ali assays. Additionally, Model II identified two other cruzain inhibitors (ZINC04899534 and ZINC01547017). However, these compounds have not been acquired or tested, since they are known cruzain inhibitors - already described in the literature and are structurally similar to the inhibitors used in the construction of the mode!. Referring to new inhibitors found, Model II showed a hit rate of 5,3%. This value is in agreement with those found in the literature, which ranges from 1 to 50%.

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.

The work of this thesis was focused on the development of high-performance algorithms for a new generation of molecular descriptors, with many advantages with respect to its predecessors, suitable for diverse applications in the field of drug design, as well as its implementation in commercial grade scientific software (Pentacle). As a first step, we developed a new algorithm (AMANDA) for discretizing molecular interaction fields which allows extracting from them the most interesting regions in an efficient way. This algorithm was incorporated into a new generation of alignmentindependent molecular descriptors, named GRIND-2. The computing speed and efficiency of the new algorithm allow the application of these descriptors in virtual screening. In addition, we developed a new alignment-independent encoding algorithm (CLACC) producing quantitative structure-activity relationship models which have better predictive ability and are easier to interpret than those obtained with other methods. / El trabajo que se presenta en esta tesis se ha centrado en el desarrollo de algoritmos de altas prestaciones para la obtención de una nueva generación de descriptores moleculares, con numerosas ventajas con respecto a sus predecesores, adecuados para diversas aplicaciones en el área del diseño de fármacos, y en su implementación en un programa científico de calidad comercial (Pentacle). Inicialmente se desarrolló un nuevo algoritmo de discretización de campos de interacción molecular (AMANDA) que permite extraer eficientemente las regiones de máximo interés. Este algoritmo fue incorporado en una nueva generación de descriptores moleculares independientes del alineamiento, denominados GRIND-2. La rapidez y eficiencia del nuevo algoritmo permitieron aplicar estos descriptores en cribados virtuales. Por último, se puso a punto un nuevo algoritmo de codificación independiente de alineamiento (CLACC) que permite obtener modelos cuantitativos de relación estructura-actividad con mejor capacidad predictiva y mucho más fáciles de interpretar que los obtenidos con otros métodos.