Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Fisiologia e Biofa­sica da Weill Cornell Medical School desenvolveu uma nova técnica computacional para realizar simulações de dina¢mica molecular de protea­nas na concentração especa­fica de a­ons de hidrogaªnio (pH) em que funcionam. Chamado de manãtodo Equilibrium Constant pH (ECpH), ele apresenta um avanço significativo na capacidade das simulações computacionais de representar com mais precisão a forma como as protea­nas da membrana de uma canãlula humana se parecem e como funcionam nas diferentes condições encontradas na vida da canãlula.

Harel Weinstein, diretor do Instituto de Biomedicina Computacional da Weill Cornell Medicine, junto com os coautores Ekaterina Kots (que desenvolveu o manãtodo) e Derek M. Shore, revelou os detalhes do ECpH e expa´s os resultados de sua aplicação em um artigo publicado recentemente na revista Molecules . A equipe usou o supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um Office of Science User Facility do Departamento de Energia (DOE) dos EUA no Oak Ridge National Laboratory (ORNL), para testar o desempenho de seu ca³digo ECpH e realizar extensas simulações de produção.

"O fato de muitas protea­nas funcionarem em uma variedade de na­veis de pH de maneiras diferentes éum problema que amargura a vida dos bia³logos hámuito tempo. Qualquer pessoa interessada em entender as relações estrutura / função das protea­nas sob várias condições de pH não poderia fazer nada a respeito porque nem a determinação da estrutura nem o ca¡lculo foram capazes de ajuda¡-los de maneira significativa ", disse Weinstein. "Agora, o que desenvolvemos éum novo manãtodo para realizar simulações de dina¢mica molecular de uma maneira que nos permite olhar para a protea­na em toda a faixa de pH e prevermudanças conformacionais induzidas pelo pH ."

As protea­nas são os burros de carga das células do nosso corpo, desempenhando funções vitais sem as quais não podemos viver - desde ajudar a formar anticorpos atétransportar nutrientes. O papel individual de cada protea­na pode ser determinado estudando sua estrutura única. As protea­nas que ficam nas membranas externas das células tem a tarefa de reconhecer asmudanças fora da canãlula, como a introdução de uma droga, e comunica¡-las internamente para que a canãlula possa responder.

Essas protea­nas podem ficar alojadas nas membranas celulares porque sua camada externa éformada por aminoa¡cidos hidrofa³bicos. Intercaladas entre esses componentes hidrofa³bicos da protea­na estãocargas positivas e negativas que desempenham um papel importante no reconhecimento de sinais externos e no rearranjo da molanãcula que lhe permite transmitir informações para a canãlula. No entanto, esses resíduos carregados são suscetíveis a alterações nos na­veis de pH.

Diferentes na­veis de pH - uma medida da acidez nos fluidos - dentro e ao redor das células desencadeiam diferentes ações das protea­nas. Se o pH mudar, isso pode fazer com que alguns dos resíduos que estãocarregados negativamente se tornem neutros ao pegar um pra³ton. Essa mudança na distribuição de carga fara¡ com que a estrutura da protea­na também mude. Essa mudança conformacional équase invariavelmente essencial para o funcionamento.

"Na verdade, a natureza estãousando a mudança conformacional que ocorre em um pH alterado para ativar ou desativar molanãculas, e isso acontece tanto na função normal das protea­nas quanto na doena§a. O controle do pH éuma forma importante que a natureza desenvolveu para controlar a atividade de suas protea­nas ", disse Weinstein. "Agora, qual éo mecanismo de ativação pormudanças de pH? Isso foi difa­cil de estabelecer. Mas podemos agora porque, graças ao poder computacional dos recursos modernos de classe de liderana§a: ele descongela a protea­na inteiramente. Podemos dizer o que acontece com o todo protea­na sob as novas condições e qual éo mecanismo, seguindo-o do ini­cio ao fim. "

Weinstein e sua equipe também executaram o ECpH na Summit para verificar os resultados de outra nova técnica computacional desenvolvida por cientistas da Weill Cornell Medicine para análise de alta resolução de biomolanãculas: um novo manãtodo de medição com microscopia de força atômica chamada microscopia de força atômica de localização ou LAFM. As técnicas atuais de ponta para examinar o comportamento dina¢mico das biomoléculas enfrentam limitações devido a s suas abordagens esta¡ticas: a microscopia crioeletra´nica congela as moléculas para estudo, enquanto a cristalografia de raios X depende da capacidade de cristalizar as molanãculas, o que éum procedimento complicado para a maioria das biomolanãculas. LAFM, por outro lado, éuma visualização direta a  temperatura ambiente da dina¢mica da molanãcula de membrana.

"Então, o que temos agora éuma técnica que - em tempo real, sem congelamento - nos permite olhar para a molanãcula como ela se comporta na membrana. Isso éum enorme avanço", disse Weinstein. "Como qualquer outra metodologia, ela tem suas limitações. A limitação éque essa técnica ébaseada em microscopia de força atômica e para protea­nas de membrana ela reporta apenasmudanças detecta¡veis ​​acima dasuperfÍcie da membrana."

Embora a microscopia de força atômica padrãopossa esboa§ar detalhes de moléculas in situ usando uma "agulha" do tamanho de um a¡tomo, ela élimitada a protea­nas que se projetam dasuperfÍcie da membrana celular. E como essas protea­nas estãose movendo, as imagens AFM tendem a ficar borradas. Para combater esse efeito, o LAFM aplica algoritmos de localização a s flutuações espaciais de recursos para criar imagens de alta resolução. Ser capaz de obter asmudanças previstas na estrutura em vários valores de pH a partir de simulações ECpH ajudou a interpretar os resultados do LAFM no artigo da Nature .

Juntas, essas inovações produzem informações estruturais e dina¢micas que excedem as resoluções de imagem dos atuais manãtodos fisiola³gicos e computacionais de análise. Eles prometem trazer uma nova compreensão dos mecanismos moleculares.