Category Archives: Biofísica Molecular

Aprendizagem de máquina para (bio)moléculas

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A explosão de novos métodos em aprendizado de máquina (machine learning, ML) e redes neurais (neural networks, NN) também trouxe avanços para pequisa molecular. Veja abaixo algumas boas referências e tutoriais:

Introdução aos potenciais híbridos QM/MM – online

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Segue uma breve introdução teórica e prática, utilizando a biblioteca pDynamo:

Vídeos de aulas e palestras

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Com a pandemia de Covid-19 e o distanciamento social, gravamos e publicamos em meio digital diversas aulas e palestras científicas. Vejam abaixo alguns destes vídeos:

Informação e tecnologia quântica molecular

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Embora mecânica quântica seja quase que trivialmente usada para descrever a estrutura eletrônica de moleculas e até processos biológicos de transferência de carga e energia, a construção de novos dispositivos tecnológicos baseados em informação quântica é uma nova e excitante fronteira de pesquisa que pretendemos explorar no laboratório usando síntese bioquímica e propriedades de spin de metais de transição. Vejam abaixo algumas referências informa/inspiradoras:

  • Papo de físico: Talvez o melhor livro para introdução aos fenômenos associados à informação quântica é The Quantum Challenge do George Greenstein e Arthur Zajonc. Tenho uma cópia em minha sala se alguém estiver interessado. Além de apresesentar (ou revisar) conceitos de mecânica quântica até computação quântica de forma bastante didática, há um apêndice sugerindo como montar experimentos quânticos simples, que deixam com vontade de debruçar numa bancada!
  • Curso introdutório recente (2018) sobre computação quântica no IFT-ICTP (aqui em SP). Veja os slides na aba “Files”. Revisão de 1998 com princípios básicos. Aulas online do John Preskill, um dos pioneiros da área, para curso de Quantum Computation em Caltech, EUA;
  • Daqui pra baixo já é papo de físico-químico: Podemos aplicar computadores quânticos (pelo menos a sua lógica, já que os primeiros hardwares ainda são desenvolvidos) para cálculos de química quântica. Esta revisão mostra como cálculos moleculares como HF, CC, etc podem ser realizados. A biblioteca OpenFermion é usada para interfaciar problemas (e programas como o PySCF) da química quântica com algoritmos e computadores quânticos.
  • O fenômeno da teleportação quântica foi recentemente observado em moléculas fotoativadas. Seria possível construir um dispositivo semelhante com metaloproteínas? Como podemos simular estes processos?
  • Esta revisão mostra como dispositivos moleculares podem ser sintetizados e testados em busca de propriedades como emaranhamento e lenta decorrelação, e para construções ou realizações de bits quânticos (qubits).
  • Elegante artigo do sambista e nobelista Roald Hoffmann mostra como conceitos simples em química orgânica e estrutura eletrônica podem explicar um comportamento complexo de intereferência na condutância molecular. A linguagem e a organização do artigo também são bastante peculiares e uma assinatura do autor.

Transferência de elétrons: Não-adiabática, PCET e outros bichos…

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Outro termo da moda e abusado na literatura, PCET possui várias definições e mecanismos. Veja algumas referências para navegar neste assunto:

Mecanismos moleculares e energéticos da Fotossíntese

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A referência fundamental para se começar a compreender os processos moleculares e as proteínas envolvidos na absorção de energia luminosa e sua transdução para energia química em sistemas biológicos, também chamada de Fotossíntese, é o livro do R. Blankenship, Molecular Mechanisms of Photosynthesis. Tenho uma cópia para emprestar aos interessados. Seguem outros artigos interessantes:

  • Estrutura da desidrogenase NDH fotossintética e oxigênica. Como é relacionada/homóloga ao complexo respiratório I, ambas devem ter mecanismos semelhantes para entrada de Q/PQ e para acoplamento redox com bombeamento de prótons;
  • Revisão sobre efeitos quânticos, principalmente coerência, para separação de carga: Romero 2017;
  • Outra revisão sobre coerência quântica, além de sistemas biológicos: Scholes 2017;
  • Experimentos com XFEL mostram a evolução temporal da densidade eletrônica e, portanto, o mecanismo reativo, nos centros reativos (Mn4O4Ca) e quinonas do Fotossistema II.

Simulação de membranas e proteínas embebidas

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Agrupamento de informações e links sobre simulação por mecânica molecular de membranas e proteínas associadas.

Montagem e inserção:

  • MemGen servidor para gerar geometrias e topologias;
  • O servidor Charmm-GUI também funciona, com diversas composições membranares;
  • Atualmente o melhor método para inserção de proteínas e solutos em membranas é o da pressão lateral, proposto por Javanainen em 2014;

Cuidados e dicas:

  • PMFs de inserção devem usar uma coordenada de reação (CR) com geometria cilíndrica, para corrigir efeitos de ondulações da membrana. Mas, cuidado! Na minha recente experiência, o uso da geometria cilíndrica apresenta outros problemas como violações da posição da molécula inserida, mesmo respeitando a CR. Este comportamento deve ser investigado no futuro;
  • Sempre conferir as janelas de US se houve algum flip-flop de lipídeo;
  • Cuidado com o tamanho da caixa e a definição da CR. Podem acontecer mudanças de posição relativa, mesmo respeitanto a CR, por causa das condições periódicas (PBC);

Referências:

 

Informações introdutórias – QBQ5782

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Observações iniciais sobre o curso:

  • O objetivo do curso é introduzir aos alunos as teorias e os conceitos fundamentais dos métodos de simulação molecular. Não é um curso apenas de caráter prático ou para aprender a “rodar” programas. Espera-se que ao final do curso, os alunos terão bases conceituais para utilizar outros programas de simulação molecular do seu interesse, assim como preparar diferentes tipos de simulações e analisar seus resultados criticamente.
  • Seguiremos aproximadamente o conteúdo apresentado na 2a edição (de 2007) do livro “A Practical Introduction to the Simulation of Molecular Systems” escrito pelo Martin J. Field, Cambridge University Press, 2007. Diversas bibliotecas da USP (IQ, IF, EP, IQSC, etc) possuem cópias impressas.
  • Sugerimos que os alunos interessados em cursar a disciplina consultem este livro para conhecerem mais sobre o conteúdo e o nível esperado da disciplina.
  • Exemplos e exercícios práticos da disciplina serão executados principalmente com o programa pDynamo, que utiliza a linguagem Python e é apresentado no livro citado acima. Logo, o curso será melhor aproveitado se o aluno possuir alguma experiência em Python ou em outra linguagem de programação em nível introdutório. Experiência com o sistema operacional Linux também é recomendada.
  • A parte prática e os exercícios do curso deverão ser realizados pelos alunos idealmente em seus próprios laptops ou computadores. Pretendemos disponibilizar um computador em nosso laboratório para os alunos que não tiverem seus próprios recursos.
  • Avaliação será feita por um trabalho (50% da nota final) e a média dos exercícios propostos ao longo do curso (outros 50% da nota);
  • Acreditamos que alunos graduados (bacharelado) em Química tem os pré-requisitos necessários para acompanhar o curso. Graduados em Física deverão ter conhecimentos pelo menos de uma disciplina de graduação de bioquímica (estrutura e química de biomoléculas) ou química orgânica. Graduados em cursos da área de Biológicas deverão ter conhecimentos pelo menos de disciplinas de física (V, estrutura da matéria) e físico-química (termodinâmica e cinética química), caso contrário terão bastante dificuldade em acompanhar o curso.
  • Alunos de outras universidades também podem se matricular e obter os créditos como alunos especiais, vejam mais informações aqui.

Alunos interessados e ainda com dúvidas sobre a disciplina, sintam-se a vontade para conversar a respeito com o docente pelo e-mail garantes (at) iq.usp.br, telefone (11) 3091-3848 ou pessoalmente (sala 915, IQ).

Outras proteínas de Ferro-enxofre e metaloenzimas

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Postagem para reunir artigos e referências sobre metaloenzimas com sítios polinucleares e proteínas de ferro-enxofre, além dos casos especiais da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial, fotossíntese, etc.

  • A evolução e conservação de diversos módulos proteicos em metaloproteínas é estudada neste artigo. Pode servir como ponto de partida para escolha de uma região quântica em um cálculo QC/MM ou para o desenho de novas metaloenzimas.
  • Diversas fosfatases tem atividade dependente de pares de íons de ferro. Um exemplo interessante é esta PhoX. Seu mecanismo pode ser investigado por simulações híbridas e comparado com as fosfatases ácidas-roxas;
  • Hidrogenase [NiFe] com diversos cluster FeS, alguns com geometria alternativa (não cuboidal), flavina e até proposta de bifurcação da transferência eletrônica. Outro lindo desafio para simulação! A estrutura foi determinada pelo mesmo grupo de pesquisa do trabalho abaixo (enzima com 46 centros de FeS). Mas, cuidado: as geometrias alternativas podem ser artefato da incidência destrutiva de raios-X sobre o centros metálicos…
  • Para quem ficou impressionado (eu fiquei!) com o “cabo” de 7 a 9 clusters de [FeS] presente no Complexo I, vejam esta enzima com 46 clusters [FeS]! A estrutura contém outras curiosidades como metais de tungstênio, canais para transporte de gases e hidratados, e grupos prostéticos incomuns! Alguém maluco o suficiente para modelar esta belezinha???
  • Estruturas cristalográficas de resolução ultra-aumentada permitem a “observação” de átomos de hidrogênio, pares eletrônicos e até, pasmen, densidade de carga de orbitais de fronteira de metais de transição. Vejam este artigo descrevendo uma proteína de [4Fe-4S] com resolução de 0.48 angstroms! Alguém interessado em construir um modelo híbrido QC/MM para esta proteína e verificar a precisão dos cálculos na reprodução da densidade de carga?
  • Alguns organismos não possuem proteínas funcionais especializadas para armazenagem intracelular de ferro, comoa ferritina. Livre em solução, este metal é tóxico, como pode-se imaginar do seu comportamento redox. A solução encontrada nestes casos é estocar grandes agregados de ferro, com até 20 mil átomos!

Desenho de proteínas

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Temos aqui uma entrada para agrupar artigos interessantes sobre desenho de proteínas:

  • Artigo que inspirou esta postagem: Revisão do David Baker na Nature, 2016;
  • Vídeo de palestra do David Baker sobre desenho de proteínas para diagnóstico e tratamento do SARS-CoV2;
  • A expressão heteróloga e, portanto, a evolução dirigida de metaloproteínas é complexa. Este artigo apresenta uma interessante solução experimental. Este outro artigo apresenta outra solução;
  • Este artigo mostra um interessante aumento de promiscuidade catalítica por excitação eletrônica dos cofatores envolvidos. Veja também o comentário no final do artigo;
  • Boa mini-revisão introdutória sobre os avanços iniciais no desenho computacional de enzimas;
  • Outra mini-revisão, com enfoque histórico sobre importantes contribuições neste campo;

Qual o mecanismo de ação de proteínas anti-congelamento?

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Diversas proteínas são conhecidas desde os anos 1960 como inibidoras da formação de cristais de gelo em água. Suas estruturas terciárias são diferentes, assim como seus aparentes modos de ligação e até os organismos em que são encontrados. Então, fica a pergunta: qual(is) seu(s) mecanismo(s) microscópico(s) de ação? Acredito que esta fascinante pergunta pode ser atacada por uma combinação de simulação computacional, com amostragem aumentada para variáveis coletivas de nucleação, e teoria de formação de vidros.

Dados experimentais razoavelmente precisos estão disponíveis agora para uma série destas proteínas. Alguém se habilita a estudá-las?

 

  • Recente estudo sugere o mecanismo que solutos orgânicos flexíveis promovem o processo inverso, ou seja, a nucleação de gelo.
  • Desenho de proteínas anti-congelamento usando dinâmica molecular e redes neurais: Debenedetti 2018.