A cruzaína, principal cisteíno protease do Trypanosoma cruzi, é um alvo terapêutico validado para o tratamento da doença de Chagas. Grande parte dos inibidores desta enzima é constituída de peptídeo-miméticos do tipo covalente irreversível cujo desenvolvimento, entretanto, tem sido evitado devido ao potencial efeito off target e ao perfil farmacocinético indesejável. O grupo de química medicinal NEQUIMED/ IQSC/USP vêm utilizando métodos avançados em quimioinformática para a identificação de inibidores reversíveis da cruzaína e de outras cisteíno proteases. Contudo, para que estes inibidores se desenvolvam a compostos matrizes mais eficientes, informações computacionais e estruturais de seus Modos de Interação (MOB) com a proteína alvo tornam-se fundamentais. Neste trabalho, a cristalografia de raios X foi utilizada para descrever em detalhes o MOB de três importantes inibidores reversíveis da cruzaína identificados pelo NEQUIMED: a dipeptidil-nitrila Neq0409 e os dois fragmentos moleculares Neq0147 e Neq0176. De modo a evitar a auto-proteólise experimentada pela cruzaína nativa que torna desafiadora a cristalização com inibidores de baixa afinidade como os fragmentos reversíveis, duas novas construções mutantes e inativas da cruzaína (a C25A e a C25S) foram desenvolvidas. A C25S foi validada como modelo cristalográfico representativo dado a coerência do MOB elucidado nesta enzima mutante e na cruzaína nativa para o inibidor mais estudado da cruzaína, o K777. A descrição da presença, orientação, conformação e modo de ação no sítio, além do completo padrão de interações fornecidos por estas estruturas cristalinas, validaram ortogonalmente os MOB preditos e os métodos de planejamento in silico usados no NEQUIMED, permitindo a identificação de inibidores muito mais potentes análogos ao Neq0147 e ao Neq0409. O grupo 2-acetamidotiofeno-3-carboxamida do Neq0176 e o anel heterocíclico de cinco membros baseado no 1,3,4-oxadiazol do Neq0147 foram identificados como alternativos aos tradicionais esqueletos peptídeo-miméticos. O impacto do efeito proteolítico na qualidade e na resolução de estruturas cristalográficas na cruzaína foi melhor compreendido a partir de duas estruturas de alta resolução obtidas para a cruzaína nativa em complexo com o metanotiossulfonato de metila (MMTS) e a iodoacetamida. Estes resultados permitiram compreender as bases experimentais para a cristalização de inibidores reversíveis de baixa afinidade. Todos os resultados estruturais obtidos via cristalografia de raios X neste trabalho são úteis para mapear as bases estruturais essenciais para o planejamento de futuros inibidores mais potentes e seletivos da cruzaína. / Cruzain, the major Trypanosoma cruzi cysteine protease, is a validated therapeutic target for the search of new medicines for the treatment of Chagas disease. A myriad of inhibitors of this enzyme consists of covalent irreversible peptidomimetics whose development has been impaired due to potential off target effect and undesirable pharmacokinetic profile. Modern cheminformatic methods employed by The Medicinal Chemistry Group (NEQUIMED/IQSC/USP) were used to identify cruzain reversible inhibitors. Their optimization for more efficient compounds can be accomplished by the use of data and information gathered from computational and structural modes of interaction (MOB). In this doctoral thesis, the X-ray crystallography was used to describe in detail the MOB of three important new cruzain reversible inhibitors: the dipeptidil-nitrile Neq0409 and the two molecular fragmentos Neq0147 and Neq0176. In order to avoid cruzain self-proteolysis during crystallization with low affinity reversible inhibitors such as the identified fragments, two new mutant and inactive constructs of cruzain (the C25S and C25A) were designed to upholding the same properties of the wild type catalytic site. The C25S was validated as representative crystallographic model given the coherence of the MOB elucidated for the best-known and studied cruzain inhibitor, the K777. The description of the presence, orientation, conformation and mode of action at the site, besides the complete pattern of bimolecular interactions, provided by these crystalline structures, orthogonally validated the predicted in silico MOB and allowed the identification of other potent inhibitors analogous to the Neq0147 and the Neq0409. The 2-acetamidothiophene-3-carboxamide moiety (Neq0176) and heterocyclic five-membered ring based on the 1,3,4-oxadiazole (Neq0147) were thereby identified as attractive alternatives to traditional peptidomimetics. The impact of proteolytic effect on the quality and resolution of crystallographic structures in cruzain was best understood from two high-resolution structures obtained for the native cruzain in complex with methyl methanethiolsulfonate (MMTS) and iodoacetamide. These results allow the understanding of experimental basis for the crystallization with reversible inhibitors of low affinity such as fragments. All structural results obtained by X-ray crystallography together with the catalytic site depiction using GRID and SuperStar methods are useful for mapping the essential structural basis for the design of future more potent and selective cruzain inhibitors.

A cruzaína, principal cisteíno protease do Trypanosoma cruzi, é um alvo terapêutico validado para o tratamento da doença de Chagas. Grande parte dos inibidores desta enzima é constituída de peptídeo-miméticos do tipo covalente irreversível cujo desenvolvimento, entretanto, tem sido evitado devido ao potencial efeito off target e ao perfil farmacocinético indesejável. O grupo de química medicinal NEQUIMED/ IQSC/USP vêm utilizando métodos avançados em quimioinformática para a identificação de inibidores reversíveis da cruzaína e de outras cisteíno proteases. Contudo, para que estes inibidores se desenvolvam a compostos matrizes mais eficientes, informações computacionais e estruturais de seus Modos de Interação (MOB) com a proteína alvo tornam-se fundamentais. Neste trabalho, a cristalografia de raios X foi utilizada para descrever em detalhes o MOB de três importantes inibidores reversíveis da cruzaína identificados pelo NEQUIMED: a dipeptidil-nitrila Neq0409 e os dois fragmentos moleculares Neq0147 e Neq0176. De modo a evitar a auto-proteólise experimentada pela cruzaína nativa que torna desafiadora a cristalização com inibidores de baixa afinidade como os fragmentos reversíveis, duas novas construções mutantes e inativas da cruzaína (a C25A e a C25S) foram desenvolvidas. A C25S foi validada como modelo cristalográfico representativo dado a coerência do MOB elucidado nesta enzima mutante e na cruzaína nativa para o inibidor mais estudado da cruzaína, o K777. A descrição da presença, orientação, conformação e modo de ação no sítio, além do completo padrão de interações fornecidos por estas estruturas cristalinas, validaram ortogonalmente os MOB preditos e os métodos de planejamento in silico usados no NEQUIMED, permitindo a identificação de inibidores muito mais potentes análogos ao Neq0147 e ao Neq0409. O grupo 2-acetamidotiofeno-3-carboxamida do Neq0176 e o anel heterocíclico de cinco membros baseado no 1,3,4-oxadiazol do Neq0147 foram identificados como alternativos aos tradicionais esqueletos peptídeo-miméticos. O impacto do efeito proteolítico na qualidade e na resolução de estruturas cristalográficas na cruzaína foi melhor compreendido a partir de duas estruturas de alta resolução obtidas para a cruzaína nativa em complexo com o metanotiossulfonato de metila (MMTS) e a iodoacetamida. Estes resultados permitiram compreender as bases experimentais para a cristalização de inibidores reversíveis de baixa afinidade. Todos os resultados estruturais obtidos via cristalografia de raios X neste trabalho são úteis para mapear as bases estruturais essenciais para o planejamento de futuros inibidores mais potentes e seletivos da cruzaína. / Cruzain, the major Trypanosoma cruzi cysteine protease, is a validated therapeutic target for the search of new medicines for the treatment of Chagas disease. A myriad of inhibitors of this enzyme consists of covalent irreversible peptidomimetics whose development has been impaired due to potential off target effect and undesirable pharmacokinetic profile. Modern cheminformatic methods employed by The Medicinal Chemistry Group (NEQUIMED/IQSC/USP) were used to identify cruzain reversible inhibitors. Their optimization for more efficient compounds can be accomplished by the use of data and information gathered from computational and structural modes of interaction (MOB). In this doctoral thesis, the X-ray crystallography was used to describe in detail the MOB of three important new cruzain reversible inhibitors: the dipeptidil-nitrile Neq0409 and the two molecular fragmentos Neq0147 and Neq0176. In order to avoid cruzain self-proteolysis during crystallization with low affinity reversible inhibitors such as the identified fragments, two new mutant and inactive constructs of cruzain (the C25S and C25A) were designed to upholding the same properties of the wild type catalytic site. The C25S was validated as representative crystallographic model given the coherence of the MOB elucidated for the best-known and studied cruzain inhibitor, the K777. The description of the presence, orientation, conformation and mode of action at the site, besides the complete pattern of bimolecular interactions, provided by these crystalline structures, orthogonally validated the predicted in silico MOB and allowed the identification of other potent inhibitors analogous to the Neq0147 and the Neq0409. The 2-acetamidothiophene-3-carboxamide moiety (Neq0176) and heterocyclic five-membered ring based on the 1,3,4-oxadiazole (Neq0147) were thereby identified as attractive alternatives to traditional peptidomimetics. The impact of proteolytic effect on the quality and resolution of crystallographic structures in cruzain was best understood from two high-resolution structures obtained for the native cruzain in complex with methyl methanethiolsulfonate (MMTS) and iodoacetamide. These results allow the understanding of experimental basis for the crystallization with reversible inhibitors of low affinity such as fragments. All structural results obtained by X-ray crystallography together with the catalytic site depiction using GRID and SuperStar methods are useful for mapping the essential structural basis for the design of future more potent and selective cruzain inhibitors.