As estruturas de proteínas criogênicas (congeladas) são fundamentais para entender a função e desenvolver drogas. Cientistas do St. Jude Children's Research Hospital criaram um algoritmo para revelar quando o congelamento das proteínas pode criar "artefatos" — erros que causam resultados enganosos. A pesquisa apareceu recentemente na Angewandte Chemie International Edition e destacou a importância das redes de água nas interações proteína-ligante. As descobertas desafiam a visão comum de assumir que as posições da água criogênica bem resolvidas são precisas e precisas.
Os ligantes são moléculas que se ligam a uma proteína receptora. Quando um ligante se liga a uma proteína, a conformação (forma) pode mudar, iniciando diferentes tipos de atividade na célula. A ligação proteína-ligante e as mudanças de forma resultantes são elementos cruciais a serem considerados durante os esforços de desenvolvimento de drogas.

"Se você olhar apenas para os dados criogênicos, a informação que está sendo usada para a descoberta de drogas tem artefatos embutidos que você não saberia que estavam lá", disse o autor correspondente Marcus Fischer, Ph.D., St. Jude Departments of Chemical Biology e Terapêutica e Biologia Estrutural. "Desenvolvemos uma maneira de separar esses artefatos. Usando comparações pareadas entre temperaturas criogênicas e ambiente, você pode identificar partes da proteína que são afetadas pela temperatura".

Os pesquisadores costumam usar as estruturas de proteínas disponíveis, extraindo as informações de um banco de dados chamado Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank. Cerca de 95% dessas estruturas são capturadas criogenicamente e depois modeladas no banco de dados para facilitar o uso. Os descobridores de drogas raramente olham de perto os dados experimentais brutos, que estão na forma de um mapa de densidade eletrônica. A interrogação de mapas em vez de modelos estruturais fornece uma abordagem imparcial para revelar características dinâmicas e artefatos criogênicos.

Algoritmo do flipper destaca mudanças importantes

Fischer e sua equipe desenvolveram um algoritmo, chamado Flipper, que analisa os dados experimentais brutos em mapas de densidade eletrônica. O Flipper identifica os picos do mapa (sinais) que de outra forma seriam invisíveis. Esses picos correspondem às partes das proteínas de resíduos específicos que possuem conformações sensíveis à temperatura. Esses resíduos podem alterar a preferência relativa de um estado em relação a outro, ou "inverter" em sua densidade, movendo-se entre as conformações, daí o nome do algoritmo.

Os pesquisadores usaram essa abordagem para identificar resíduos que respondem a mudanças de temperatura e rastrear os resíduos em um sistema semelhante a um código de barras em toda a proteína. Isso permitiu aos cientistas ver como os resíduos dentro e fora do sítio de ligação do ligante respondem a temperaturas de congelamento ou aquecimento.

"Com o Flipper podemos detectar pequenas mas importantes mudanças nas estruturas das proteínas a partir da temperatura ou de outros fatores", disse o primeiro autor Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. “É importante obter esses detalhes corretos no início do processo de descoberta de medicamentos; caso contrário, os esforços de pesquisa podem ser desviados”.

Como os efeitos da temperatura e da rede de água influenciam um grande número de estruturas, as descobertas podem ter um impacto generalizado no desenvolvimento de medicamentos.

Uma nova valorização das redes de água

Armados com sua nova abordagem, os pesquisadores realizaram uma análise sistemática mostrando a importância das redes de água. A água, uma das moléculas mais importantes e abundantes da Terra, desempenha um papel ativo no processo de congelamento das conformações. Isto é particularmente verdadeiro em sítios de ligação proteína-ligante.

"Esta é a primeira vez que mostramos sistematicamente a importância da temperatura nas redes de água para modular a interface de ligação do ligante, que é onde a biologia acontece", disse Fischer. “A água é frequentemente ignorada no processo de descoberta de drogas, mas mostramos que, além de ter um efeito profundo na ligação do ligante, a água também influencia os resíduos do sítio de ligação, capturando-os em posições que diferem dependendo da temperatura”.

O Flipper e o sistema de código de barras conformacional que facilita as comparações de diferentes ligantes em diferentes temperaturas está disponível gratuitamente para permitir que outros pesquisadores identifiquem esses padrões em seus próprios conjuntos de dados. + Explorar mais

Comparar estruturas criogênicas com amostras em temperatura ambiente pode ajudar a identificar erros em modelos computacionais