Pasqualoto K. F. M., Ferreira M. M. C., "SIMULAÇÕES DE DINÂMICA MOLECULAR E CONSTRUÇÃO DE MODELOS QSAR DE UMA CLASSE EXPERIMENTAL DE ANTIBACTERIANOS - DIAZOBORINAS" ["MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS AND CONSTRUCTION OF QSAR MODELS FOR AN EXPERIMENTAL CLASS OF ANTIBACTERIALS - DIAZABORINES"]. Poços de Caldas, MG, 18-21/11/2007: XIV Simpósio Brasileiro de Química Teórica [14th Brazilian Symposium of Theoretical Chemistry], Resumos [Abstracts], (2007) 172. Poster.

Sociedade Brasileira de Química (SBQ)
 

SIMULAÇÕES DE DINÂMICA MOLECULAR E CONSTRUÇÃO DE MODELOS QSAR DE UMA CLASSE EXPERIMENTAL DE ANTIBACTERIANOS - DIAZOBORINAS

Kerly F. M. Pasqualoto* (PQ), Márcia M. C. Ferreira² (PQ) - *kerly@iqm.unicamp.br

Laboratório de Quimiometria Teórica e Aplicada - LQTA,  Departamento de Físico-Química, Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, Campinas, SP, Brasil.

Palavras Chave: diazoborinas, enoil-acp redutase, FabI, modelagem molecular, QSAR, CADD, tuberculose.

Introdução
As diazoborinas (DBs) são agentes antibacterianos experimentais, cuja característica estrutural importante é um anel heterocíclico 1,2-azina, que apresenta boro como terceiro heteroátomo. O grupo areno pode ser benzeno, naftaleno, tiofeno, furano e pirrol. A atividade antibacteriana está restrita às bactérias Gram-negativas. De acordo com Grassberger e colaboradores,¹ as tiofenodiazoborinas são inibidores mais potentes, seguidas pelas benzodiazoborinas e furanodiazoborinas, enquanto que as pirroldiazoborinas são totalmente inativas. Recentemente, a enzima enoil-acp redutase (ENR) foi identificada como o alvo molecular das DBs. A ENR catalisa a última etapa do processo cíclico de alongamento de ácidos graxos bacterianos e é considerada a enzima principal do sistema FAS II (fatty acid synthase). A presença do cofator nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) parece ser fundamental à inibição e à interação das DBs com a ENR. A análise de complexos ENR-NAD-DBs, obtidos por cristalografia de raios-X, revelou a formação de ligação covalente entre o grupo 2'-hidroxila da ribose da nicotinamida do NAD com o átomo de boro das DBs, resultando em um análogo bi-substrato no sítio ativo da enzima.²
No presente estudo, simulações de dinâmica molecular (DM) de um conjunto de DBs ligadas ao cofator NAD (ligantes)  foram realizadas para gerar descritores termodinâmicos, posteriormente utilizados na construção de modelos QSAR, a fim de obter informações adicionais ao planejamento de novos agentes antibacterianos/antimicobacterianos.

Resultados e Discussão
Um conjunto de 51 DBs foi selecionado da referência [1]. A atividade biológica foi avaliada como a concentração inibitória mínima (CIM) contra ceptas de E. coli D120 a 310 K¹ e expressa em pCIM (-log CIM). As estruturas tridimensionais de cada ligante foram construídas na forma neutra (HyperChem 6.03). As coordenadas de uma tiofenodiazaborina e de uma benzodiazaborina ligadas ao cofator NAD, no sítio ativo da ENR da E. coli (FabI), depositadas no PDB (Brookhaven Protein Databank) com os códigos de entrada 1DFH e 1DFG,² respectivamente, e resolução de 2,2 e 2,5 Å foram utilizadas como referência ao desenho dos ligantes e fazem parte do conjunto de DBs investigado. Os ligantes foram otimizados utilizando campo de força MM+, sem quaisquer restrições (HyperChem 6.03). O programa MOLSIM 3.0³ também foi empregado à otimização dos ligantes. Cargas atômicas parciais foram calculadas com o método semi-empírico AM1 (HyperChem 6.03). Simulações de DM de 1.000.000 passos, cada passo de 0,001 ps, a 310 K, foram desenvolvidas para cada ligante (DB-NAD). A energia de solvatação de confôrmero de menor energia mínima, selecionado em cada simulaçõa de DM, foi calculada com o modelo de camada de hidratação descrito por Hopfinger (1993).
Estudo preliminar com 34 dos 51 ligantes foi desenvolvido para construir modelos QSAR, utilizando regressão por quadrados mínimos parciais (PLS, Partial Least Squares) e algoritmo genético (GFA, Genetic Function Approximation) (programa WOLF).⁴ Além dos descritores termodinâmicos, outras variáveis independentes foram calculadas considerando a geometria dos confôrmeros de menor energia mínima.
O modelo obtido apresentou as seguintes medidas estatísticas: r² = 0,71; q² = 0,56; LOF = 0,16; LSE = 0,11. Os descritores mais relevantes à atividade antibacteriana foram as contribuições de energia de estiramento (E_stretch), de Lennard-Jones (E_1,4) e de van der Waals (E_vdW), além do volume molecular e do ClogP.

Perspectivas
Construção de modelos QSAR com os 51 ligantes para incrementar as informações referentes aos descritores mais relevantes à atividade biológica.

Agradecimentos
Os autores são gratos à FAPESP, pelo apoio financeiro, e ao Chem21Group, Inc., pela licença colaborativa dos programas MOLSIM e WOLF.
____________________________
¹ Grassberger, M. A.; Turnowsky, F;. Hildebrandt, J., J. Med. Chem. 1984, 27, 947.
² Baldock, C.; de Boer, G. J.; Rafferty, J. B.; Stuitje, A. R.; Rice, D. W., Biochem. Pharmacol. 1998, 55, 1541.
³ Doherty, D. MOLSIM: Molecular Mechanics and Dynamics Simulation Software. User's Guide, version 3.0; The Chem21 Group, Inc.: Chicago, IL, 1997.
⁴ Rogers, D. WOLF Genetic Function Approximation. Reference Manual, version 5.5; Molecular Simulation, Inc.: Burlington, MA, 1994.

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English

Sociedade Brasileira de Química (SBQ)
 

MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS AND CONSTRUCTION OF QSAR MODELS FOR AN EXPERIMENTAL CLASS OF ANTIBACTERIALS - DIAZABORINES

Kerly F. M. Pasqualoto* (PQ), Márcia M. C. Ferreira² (PQ) - *kerly@iqm.unicamp.br

Laboratório de Quimiometria Teórica e Aplicada - LQTA,  Departamento de Físico-Química, Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, Campinas, SP, Brasil.

Key Words: diazoborines, enoil-acp reductase, FabI, molecular modeling, QSAR, CADD, tuberculosis.

Introduction
Diazaborines (DBs) are experimental antibacterial agents with an important structural feature, the heterocyclic 1,2-azine ring in which a boron atom is the third heteroatom. The arene group can be benzene, naphthalene, thiophene, furane and pyrrole. DBs are active against Gram-negative bacteria. According to Grassberger et al.¹  thiophenodiazaborines are stronger inhibitors, followed by benzodiazaborines and furanodiazaborines, whilst pyrrolodiazaborines are inactive.
Recently, the enoyl-cap reductase enzyme (ENR) has been identified as the DBs' target. ENR catalyzes the last step of the cyclic process of the fatty acid's chain extension, and thus, is considered as the main enzyme of the FAS II system (fatty acid synthase). The presence of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) cofactor seems to be essential for the inhibition of ENR by and interaction of ENR with DBs. The structures of ENR-NAD-DBs complexes, obtained by X-ray crystallography, have revealed that formation of the covalent bond between the 2'-hydroxyl group from NAD's ribose unit and the boron atom from DBs results in a bisubstrate analogue at the active site of the enzyme.²
In the present study, molecular dynamics (MD) simulations for set of DBs bound to the NAD cofactor (ligands) have been performed to obtain thermodynamic descriptors. These descriptors were then used in construction of QSAR models, with the aim to have additional information for design of new antibacterial/antimycobacterial agents.

Results and Discussion
A set of 51 DBs was selected from Ref.  [1]. The biological activity was minimal inhibitory concentration (MIC) against strains E. coli D120 at 310 K¹ and expressed as pCIM (-log CIM). Three-dimensional structures of the ligands were build in the neutral form (HyperChem 6.03). Atomic coordinates of a thiophenodiazaborine an a benzodiazaborine bound to the NAD cofactor at the active site of ENR from E. coli (FabI), deposited in the PDB (Brookhaven Protein Databank) with codes 1DFH and 1DFG,² respectively, and resolutions 2.2 e 2.5 Å, respectively, were used as the reference for modeling of the ligands from the studied DBs set. The ligands were optimized using the MM+ force field without restraints (HyperChem 6.03). Program MOLSIM 3.0³ was also used in ligand geometry optimizations. Parcial atomic charges were calculated by the semi-empirical method AM1 (HyperChem 6.03). DM simulations of 1000,000 steps, with each step of 0.001 ps at 310 K, were carried out for the ligands (DB-NAD). Solvation energy of the minimum energy conformers, previously selected from the DM results, was calculated by the hydration layer method of Hopfinger (1993).
A preliminary study of 34 from 51 ligands was carried out to construct QSAR models, using partial least squares (PLS, Partial Least Squares) regression and genetic algorithm (GFA, Genetic Function Approximation) (program WOLF).⁴ Besides thermodynamic descriptors, other independent variables were calculated from geometries of the minium energy conformers.
The obtained model had the following statistics: r² = 0.71; q² = 0.56; LOF = 0.16; LSE = 0.11. The most important descriptors for antibacterial activity were stretching energy (E_stretch), Lennard-Jones potential (E_1,4), van der Waals energy (E_vdW), molecular volume and ClogP.

Perspectives
Construction of QSAR models with 51 ligands to obtain new information about descriptors with are important for the biological activity.

Acknowledgements
The authors are grateful to FAPESP for financial aid, and to the Chem21Group, Inc., for the collaboration licence of programs MOLSIM and WOLF.
____________________________
¹ Grassberger, M. A.; Turnowsky, F;. Hildebrandt, J., J. Med. Chem. 1984, 27, 947.
² Baldock, C.; de Boer, G. J.; Rafferty, J. B.; Stuitje, A. R.; Rice, D. W., Biochem. Pharmacol. 1998, 55, 1541.
³ Doherty, D. MOLSIM: Molecular Mechanics and Dynamics Simulation Software. User's Guide, version 3.0; The Chem21 Group, Inc.: Chicago, IL, 1997.
⁴ Rogers, D. WOLF Genetic Function Approximation. Reference Manual, version 5.5; Molecular Simulation, Inc.: Burlington, MA, 1994.

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