Leandro Prade Nadaletti
Título
O Problema de Enovelamento de Proteínas Sob Diferentes Perspectivas: Evolução Diferencial, Redes Complexas e Sincronismo
Resumo
As proteínas dependem da adoção de uma estrutura tridimensional específica para executarem corretamente suas funções biológicas. A compreensão do processo que conduz uma proteína do estado desnaturado até a sua conformação nativa constitui um dos mais desafiadores enigmas da biologia molecular. Sabe-se, no entanto, que a conformação nativa está associada a um baixo nível de energia livre do sistema. Tal informação permite que a predição dessa estrutura seja feita através do emprego de meta-heurísticas de otimização. Neste trabalho, propomos um método baseado em Evolução Diferencial para lidar com essa classe de problemas. Para auxiliar na exploração do espaço de soluções, utilizamos os princípios de redes complexas para avaliar as conformações da cadeia polipeptídica e direcionar o algoritmo para regiões em que as estruturas são compactas. Além do aspecto estático do enovelamento, exploramos também suas características dinâmicas, buscando identificar um mecanismo capaz de explicar os vários fenômenos descritos pela cinética e a termodinâmica desse processo. Como hipótese, apontamos o sincronismo entre o movimento oscilatório dos planos peptídicos como um dos princípios físicos básicos responsáveis pela estruturação da cadeia polipeptídica. Os conceitos inerentes a esse novo modelo foram estabelecidos a partir de um paralelo entre o processo de enovelamento e a dinâmica de uma rede de osciladores de fase acoplados, descrita pelo modelo de Kuramoto. O acoplamento entre os planos peptídicos pode explicar o caráter de campo médio da força que impele a sequência de aminoácidos a se auto-organizar em uma estrutura tridimensional única.
Abstract
Proteins depend on a specific three-dimensional structure to properly perform their biological functions. Understanding the process that leads a protein from the denatured state to the native state is one of the most challenging puzzles of molecular biology. It is known, however, that the native conformation is associated with a low level of free energy. Such information allows the prediction of this structure to be made through the use of metaheuristic optimization. In this work is proposed a methodology based on Differential Evolution to handle this class of problems. To assist in the exploration of the solution space, the complex networks approach was applied to evaluate the conformations in order to direct the algorithm to regions where the structures are compact, with a large number of interactions between amino acids. Besides the static aspect of folding, their dynamic characteristics were also explored with the purpose of identifying a mechanism able to explain various phenomena described by the kinetics and thermodynamics of this process. As a hypothesis, it is proposed that the synchronization between the oscillatory motion of the peptide planes is one of the basic physical principles responsible for define the protein spatial structure. The concepts behind this new model are based on a parallel between the folding process and the dynamics of a network of coupled phase oscillators, described by the Kuramoto model. The coupling between the peptide planes may explain the character of the mean field force which drives the amino acid sequence to self-organize into a single three dimensional structure.
