Extensive structural analysis and accurate inter-molecular interactions previsions via computational methods, arise today as a key part of laboratories protocols in many scientific fields such as chemistry, drug design, biology and materials science. Docking is a powerful method widely used nowadays in rational drug design, to get new insights on the binding mode of ligand/protein complexes and to perform the so called virtual screening of drugs databases. Beside it, Molecular Dynamics allows a more accurate analysis of the whole system’s kinetics not attainable by crystallographic conditions. Aided by most advanced software developed for the treatment of virtual biological systems, we investigated in both fields of Gene Terapy and Drug Design. With the aim of synthetize new functionalized lipid that better complex the DNA in the multilamellar liposome structure and could consequently release DNA molecule inside the cell, a new protocol has been developed in our department for the preparation of novel chimeric lipid compounds: Crown ether functionalized lipids and pH sensitive lipid ODMA. We run a total of eighteen simulation to try to predict the behavior of such new compounds in POPC and DOPC bilayer. Concerning crown ether functionalized, file analysis on simulation data clearly show that the whole system equilibration is strictly correlated to the concentration of synthetic lipid added, both in pure water and in CaCl2 solution. Moreover, at high concentration of synthetic lipid, the common bilayer structure cannot be achieved as it remains disordered due also to the lateral diffusion of the lipids tails. Beside, as ODMA’s concentration increases the system’s disorder increase as well. The salt acts as an intermolecular coordinator, preventing the membrane from reaching a proper fluidity across all the simulation run. G-protein-coupled receptors (GPCRs) constitute a large and diverse family of proteins whose primary function is to transduce extracellular stimuli into intracellular signals. 5HT2c receptor has an important role in regulating anxiety, behavioral and neuroendocrine responses to stress, pain, locomotor responses, food intake and obesity and it is target of drugs used to treat a variety of physiological and psychiatric conditions. This work focused on different aspect: docking with natural ligand, agonists and antagonists, also considering SNP that could affect patients response to the drug; molecular dynamics carried on the docked complex in the lipid bilayer environment, to assess for conformational variations induced by the presence of all those previously cited different compounds; unbiased molecular dynamics with the natural ligand serotonin in solution, carried on for 550 ns to study the early phase of ligand captation in the extracellular space; Coarse Grained molecular dynamics carried on multiple 5-HT2c receptors in in the lipid bilayer environment, to find out how an oligomer (the biological active assembly evidenced for those receptors) forms. Together all this data give us a more comprehensive overview of different aspect that must all be considerate for rational drug design focused on 5-HT2c. The aim of this work is to present the innovation perspectives offered by an in silico analysis, both in terms of “better understanding” and “suggesting”: the first as a complementation of experimental data, the latter as a novel way to plan the experiment itself.

L’analisi strutturale accurata per la previsione delle interazioni intermolecolari tramite metodi computazionali , si presenta oggi come un dato imprescindibile sia in diversi protocolli di laboratorio, che in molti ambiti scientifici come la chimica , la farmaceutica, la biologia e la scienza dei materiali. Il Docking è un potente strumento ampiamente utilizzato nella progettazione razionale di nuovi e sempre più potenti farmaci. Accanto ad essa, la dinamica molecolare permette una più accurata analisi della cinetica dei sistemi biologici, non ottenibile dalle sola risoluzione delle strutture cristallografiche. Coadiuvati da più moderni software sviluppati per il trattamento dei sistemi biologici virtuali, ci siamo addentrati negli ambiti del Gene Terapy e del Drug Design. Con l'obiettivo di sintetizzare nuovo lipidi funzionalizzati che potessero complessare più efficacemente il DNA nella struttura multilamellare del vettore liposomiale, e quindi rilasciare di conseguenza l’acido nucleico all'interno della cellula, il nostro laboratorio di sintesi ha sviluppato un nuovo protocollo per la preparazione di nuovi composti lipidici chimerici: lipidi funzionalizzati con eteri corona e lipidi sensibili al pH. Per tentare di spiegare e migliorare i risultati ottenuti dalla controparte sperimentale, abbiamo approntato un totale di diciotto simulazioni di dinamica molecolare, effettuate su modelli di membrane miste di POPC e DOPC con i lipidi sintetici. Man mano che la concentrazione di etere corona aumenta, si ha un aumentato disordine del doppio strato lipidico. I dati raccolti per le simulazioni sul lipide sensibile al pH, in presenza di CaCl2, mostrano una distribuzione omogenea dei lipidi a concentrazioni basse di lipide sintetico. Nel momento in cui la concentrazione di lipide sintetico aumenta, tende ad accrescersi anche il disordine del sistema. Il sale agisce tramite un effetto di coordinazione intermolecolare, impedendo alla membrana di raggiungere una adeguata fluidità , per tutto il corso della simulazione. I recettori accoppiati a proteine G ( GPCR ) costituiscono una vasta e diversificata famiglia di proteine la cui funzione primaria è quella di trasdurre stimoli extracellulari in segnali intracellulari . Il recettore 5HT2c è un target di molti farmaci usati per trattare una varietà di condizioni fisiologiche e psichiatriche. Questo studio si è concentrato su diversi aspetti relativi all’analisi della suddetta proteina di membrana: una prima fase di docking molecolare mirato sul ligando naturale , vari agonisti e antagonisti, e considerando inoltre la presenza di SNP che potrebbero influenzare la risposta dei pazienti al farmaco; una seconda fase di dinamica molecolare effettuata sul complesso ligando/recettore immerso nell'ambiente idrofobico del doppio strato lipidico, al fine di valutare le variazioni conformazionali indotte dalla presenza di quei composti precedentemente sottoposti a docking; parallelamente abbiamo approntato una dinamica molecolare in cui il ligando naturale serotonina viene lasciato libero nel solvente, per studiare la captazione nello spazio extracellulare ad opera del recettore stesso; in ultimo, una simulazione di dinamica molecolare tramite un modello semplificato Coarse Grained, effettuata su più recettori 5-HT2c immersi nell'ambiente lipidico , al fine di rilevare la formazione di oligomeri (la struttura quaternaria biologicamente attiva evidenziata per quei recettori). Insieme, tutti questi dati ci danno una panoramica più completa dei diversi aspetti che devono essere presi attentamente in considerazione per la progettazione razionale di nuovi farmaci mirati alla 5-HT2c . Lo scopo di questo lavoro è di presentare le prospettive di innovazione offerte da un'analisi in silico, sia in termini di "migliore comprensione ", sia in termini di "suggerimento" : la prima come complementazione di dati sperimentali , la seconda come un nuovo modo di progettare l'esperimento stesso.

Molecular dynamics of lipid bilayer based supramolecular systems / Massaccesi, Luca. - (2014 Feb 17).

Molecular dynamics of lipid bilayer based supramolecular systems

Massaccesi, Luca
2014-02-17

Abstract

Extensive structural analysis and accurate inter-molecular interactions previsions via computational methods, arise today as a key part of laboratories protocols in many scientific fields such as chemistry, drug design, biology and materials science. Docking is a powerful method widely used nowadays in rational drug design, to get new insights on the binding mode of ligand/protein complexes and to perform the so called virtual screening of drugs databases. Beside it, Molecular Dynamics allows a more accurate analysis of the whole system’s kinetics not attainable by crystallographic conditions. Aided by most advanced software developed for the treatment of virtual biological systems, we investigated in both fields of Gene Terapy and Drug Design. With the aim of synthetize new functionalized lipid that better complex the DNA in the multilamellar liposome structure and could consequently release DNA molecule inside the cell, a new protocol has been developed in our department for the preparation of novel chimeric lipid compounds: Crown ether functionalized lipids and pH sensitive lipid ODMA. We run a total of eighteen simulation to try to predict the behavior of such new compounds in POPC and DOPC bilayer. Concerning crown ether functionalized, file analysis on simulation data clearly show that the whole system equilibration is strictly correlated to the concentration of synthetic lipid added, both in pure water and in CaCl2 solution. Moreover, at high concentration of synthetic lipid, the common bilayer structure cannot be achieved as it remains disordered due also to the lateral diffusion of the lipids tails. Beside, as ODMA’s concentration increases the system’s disorder increase as well. The salt acts as an intermolecular coordinator, preventing the membrane from reaching a proper fluidity across all the simulation run. G-protein-coupled receptors (GPCRs) constitute a large and diverse family of proteins whose primary function is to transduce extracellular stimuli into intracellular signals. 5HT2c receptor has an important role in regulating anxiety, behavioral and neuroendocrine responses to stress, pain, locomotor responses, food intake and obesity and it is target of drugs used to treat a variety of physiological and psychiatric conditions. This work focused on different aspect: docking with natural ligand, agonists and antagonists, also considering SNP that could affect patients response to the drug; molecular dynamics carried on the docked complex in the lipid bilayer environment, to assess for conformational variations induced by the presence of all those previously cited different compounds; unbiased molecular dynamics with the natural ligand serotonin in solution, carried on for 550 ns to study the early phase of ligand captation in the extracellular space; Coarse Grained molecular dynamics carried on multiple 5-HT2c receptors in in the lipid bilayer environment, to find out how an oligomer (the biological active assembly evidenced for those receptors) forms. Together all this data give us a more comprehensive overview of different aspect that must all be considerate for rational drug design focused on 5-HT2c. The aim of this work is to present the innovation perspectives offered by an in silico analysis, both in terms of “better understanding” and “suggesting”: the first as a complementation of experimental data, the latter as a novel way to plan the experiment itself.
17-feb-2014
L’analisi strutturale accurata per la previsione delle interazioni intermolecolari tramite metodi computazionali , si presenta oggi come un dato imprescindibile sia in diversi protocolli di laboratorio, che in molti ambiti scientifici come la chimica , la farmaceutica, la biologia e la scienza dei materiali. Il Docking è un potente strumento ampiamente utilizzato nella progettazione razionale di nuovi e sempre più potenti farmaci. Accanto ad essa, la dinamica molecolare permette una più accurata analisi della cinetica dei sistemi biologici, non ottenibile dalle sola risoluzione delle strutture cristallografiche. Coadiuvati da più moderni software sviluppati per il trattamento dei sistemi biologici virtuali, ci siamo addentrati negli ambiti del Gene Terapy e del Drug Design. Con l'obiettivo di sintetizzare nuovo lipidi funzionalizzati che potessero complessare più efficacemente il DNA nella struttura multilamellare del vettore liposomiale, e quindi rilasciare di conseguenza l’acido nucleico all'interno della cellula, il nostro laboratorio di sintesi ha sviluppato un nuovo protocollo per la preparazione di nuovi composti lipidici chimerici: lipidi funzionalizzati con eteri corona e lipidi sensibili al pH. Per tentare di spiegare e migliorare i risultati ottenuti dalla controparte sperimentale, abbiamo approntato un totale di diciotto simulazioni di dinamica molecolare, effettuate su modelli di membrane miste di POPC e DOPC con i lipidi sintetici. Man mano che la concentrazione di etere corona aumenta, si ha un aumentato disordine del doppio strato lipidico. I dati raccolti per le simulazioni sul lipide sensibile al pH, in presenza di CaCl2, mostrano una distribuzione omogenea dei lipidi a concentrazioni basse di lipide sintetico. Nel momento in cui la concentrazione di lipide sintetico aumenta, tende ad accrescersi anche il disordine del sistema. Il sale agisce tramite un effetto di coordinazione intermolecolare, impedendo alla membrana di raggiungere una adeguata fluidità , per tutto il corso della simulazione. I recettori accoppiati a proteine G ( GPCR ) costituiscono una vasta e diversificata famiglia di proteine la cui funzione primaria è quella di trasdurre stimoli extracellulari in segnali intracellulari . Il recettore 5HT2c è un target di molti farmaci usati per trattare una varietà di condizioni fisiologiche e psichiatriche. Questo studio si è concentrato su diversi aspetti relativi all’analisi della suddetta proteina di membrana: una prima fase di docking molecolare mirato sul ligando naturale , vari agonisti e antagonisti, e considerando inoltre la presenza di SNP che potrebbero influenzare la risposta dei pazienti al farmaco; una seconda fase di dinamica molecolare effettuata sul complesso ligando/recettore immerso nell'ambiente idrofobico del doppio strato lipidico, al fine di valutare le variazioni conformazionali indotte dalla presenza di quei composti precedentemente sottoposti a docking; parallelamente abbiamo approntato una dinamica molecolare in cui il ligando naturale serotonina viene lasciato libero nel solvente, per studiare la captazione nello spazio extracellulare ad opera del recettore stesso; in ultimo, una simulazione di dinamica molecolare tramite un modello semplificato Coarse Grained, effettuata su più recettori 5-HT2c immersi nell'ambiente lipidico , al fine di rilevare la formazione di oligomeri (la struttura quaternaria biologicamente attiva evidenziata per quei recettori). Insieme, tutti questi dati ci danno una panoramica più completa dei diversi aspetti che devono essere presi attentamente in considerazione per la progettazione razionale di nuovi farmaci mirati alla 5-HT2c . Lo scopo di questo lavoro è di presentare le prospettive di innovazione offerte da un'analisi in silico, sia in termini di "migliore comprensione ", sia in termini di "suggerimento" : la prima come complementazione di dati sperimentali , la seconda come un nuovo modo di progettare l'esperimento stesso.
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