Analysis of residue interaction networks in molecular dynamics simulations

• Main Author: Monteiro, Gonçalo Miguel Fonseca
• Publication Date: 2022
• Format: Master thesis
• Language: eng
• Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
• Download full: http://hdl.handle.net/10400.26/43449
• topic: Dinâmica Molecular; POO - Programação Orientada a Objetos; Python; Redes de interação de aminoácidos; MDAnalysis; Molecular Dynamics; Object-oriented Programming; Aminoacid interaction networks

É sabido que a estrutura de uma proteína não é estática, mas sim dinâmica. Porém, a análise dinâmica da sua estrutura não é de todo fácil, muito por via das dimensões dos sistemas a analisar. Por outro lado, a variedade de fatores que pode causar perturbações num sistema biológico também dificulta a análise. Nesse sentido, as simulações de dinâmica molecular (MD) apresentam-se como uma ferramenta muito importante pois geram toda uma biblioteca de dados a partir de uma determinada simulação. A análise detalhada destes dados é um processo complexo e demorado que requer diversas ferramentas computacionais. Neste projeto foi utilizado a MDAnalysis, uma biblioteca open source orientada a objetos para análise estrutural e temporal de resultados de dinâmica molecular, em particular de trajetórias de simulação e de estruturas de proteínas. Está escrita na linguagem Python, com algum código de desempenho crítico em C, recorrendo ainda a funcionalidades do pacote NumPy. Adicionalmente, foi criado um script em Python que tentou facilitar e otimizar o processo com via a obter uma interface que permita ao utilizador selecionar o tipo interações a analisar, necessitando apenas de fornecer como input os ficheiros gro e xtc da dinâmica molecular de uma simulação de sistema biológico. O script criado, por sua vez, faz todo o processo de seleção, tratamento, análise e representação dos resultados com maior interesse da simulação fornecida sobre a forma de ficheiro .pdf, bem como em formato .csv com os dados detalhados da análise de cada simulação. O script desenvolvido foi aplicado ao estudo da capacidade da transferrina, uma proteína envolvida no transporte de ferro, associado ao anião carbonato, transportar também vanádio. Foram analisadas as ligações para todos os tipos de interações possíveis envolvendo os metais Fe(III) e V(III) e o anião sinergístico carbonato, nos diferentes estados de protonação possíveis, de modo a validar o funcionamento do código desenvolvido. Foi observado que as conformações mais fechadas da proteína estabelecem mais interacções do que a conformação aberta, sendo a distância média na conformação fechada inferior à na conformação relaxada. O anião favorecido através da análise das interações entre os metais e os aniões para todas as proteínas, revelou ser o ácido carbónico, juntamente com o Fe(III) uma vez que este estabelece mais interações do que V(III). Estes resultados correspondem ao que é conhecido da literatura par esta proteína, permitindo validar o funcionamento do código desenvolvido. Estes resultados permitem concluir que o código origina resultados fiáveis.