Estudo estrutural e comparativo entre Sirtuínas 2 de diferentes espécies de Leishmania / Structural and comparative study between Sirtuins 2 of different species of Leishmania by means of Comparative Modeling and Molecular Dynamic

As leishmanioses são doenças negligenciadas que afetam mais de um bilhão e meio de pessoas ao redor do mundo, principalmente nos países em desenvolvimento, provocando grandes impactos socioeconômicos. Os fármacos disponíveis para o tratamento dessas doenças são ineficazes e apresentam graves efeitos adversos. O processo de pesquisa de novos fármacos envolve, entre outras coisas, a seleção de alvos bioquímicos essenciais para a sobrevivência e desenvolvimento do agente causador. Neste sentido, a Sirtuína 2, uma enzima epigenética com atividade hidrolase essencial para a sobrevivência dos parasitas do gênero Leishmania se apresenta como um alvo validado na busca de novos fármacos contra essas parasitoses. O planejamento de fármacos baseado na estrutura do receptor requer o conhecimento da estrutura tridimensional da proteína alvo. Desta forma, a elucidação estrutural e um estudo minucioso das Sirtuínas das várias espécies do gênero Leishmania apresenta-se como uma importante abordagem na aplicação desta estratégia na busca por agentes quimioterápicos. Até o momento, na família Trypanosomatidae, a única estrutura tridimensional resolvida experimentalmente de uma enzima Sirtuína 2 é a da espécie L. infantum. Assim, este trabalho aplicou a abordagem de Modelagem Comparativa utilizando o software Modeller na construção de modelos da Sir2rp1 das espécies L. infantum, L. major e L. braziliensis, cujas sequências de aminoácidos foram extraídas do banco de dados UNIProt. Os modelos construídos foram validados por meio da função de escore DOPE do Modeller e dos servidores PROCHECK, MolProbity e QMEAN, avaliando sua qualidade estereoquímica e seu enovelamento. Os ligantes naturais da enzima foram sobrepostos nos modelos construídos por alinhamento estrutural utilizando o software PyMol e os complexos validados foram submetidos a simulações de Dinâmica Molecular através do pacote GROMACS. Os complexos refinados foram então analisados por meio dos softwares PyMol e LigPlotPlus e dos pacotes GROMACS e gmx_MMPBSA, e foram estudados os sítios de ligação dos substratos e os resíduos de aminoácidos relevantes envolvidos em sua ligação e reconhecimento. A Modelagem Comparativa da Sirtuína 2 humana e seus homólogos das espécies L. infantum, L. major e L. braziliensis, as simulações de Dinâmica Molecular realizadas com os modelos enzimáticos construídos e validados complexados com seus ligantes naturais, os cálculos de energia de interação entre os modelos e seus substratos e o estudo estrutural comparativo realizado entre eles nos fornecem uma base teórica para a busca de novos inibidores da Sirtuína 2 que sejam mais seletivos e potentes contra as enzimas parasitárias, abrindo caminho para o desenvolvimento de candidatos a fármacos leishmanicidas mais seguros e eficazes

Leishmaniasis are neglected diseases that affect more than one and a half billion people around the world, mainly in developing countries, causing major socioeconomic impacts. The drugs available for the treatment of these diseases are ineffective and have serious adverse effects. The process of researching new drugs involves, among other things, the selection of biochemical targets essential for the survival and development of the causative agent. In this sense, Sirtuin 2, an epigenetic enzyme with hydrolase activity essential for the survival of parasites of the Leishmania genus, presents itself as a validated target in the search for new drugs against these parasites. Structure-Based Drug Design requires knowledge of the three-dimensional structure of the target protein. In this way, structural elucidation and a detailed study of Sirtuins from various species of the genus Leishmania presents itself as an important approach in the application of this strategy in the search for chemotherapeutic agents. To date, in the Trypanosomatidae family, the only experimentally resolved three-dimensional structure of a Sirtuin 2 enzyme is that of the species L. infantum. Thus, this work applied the Comparative Modeling approach using the Modeller software in the construction of Sir2rp1 models of the species L. infantum, L. major and L. braziliensis, whose amino acid sequences were retrieved from the UNIProt database. The constructed models were validated using Modeller's DOPE score function and the PROCHECK, MolProbity and QMEAN servers, evaluating their stereochemical quality and folding. The enzyme's natural ligands were superimposed on the built models by structural alignment using the PyMol software and the validated complexes were subjected to Molecular Dynamics simulations using the GROMACS package. The refined complexes were then analyzed using the PyMol and LigPlotPlus softwares and the GROMACS and gmx_MMPBSA packages, and the substrate binding sites and relevant amino acid residues involved in their binding and recognition were studied. The Comparative Modeling of human Sirtuin 2 and its homologues from the species L. infantum, L. major and L. braziliensis, the Molecular Dynamics simulations carried out with the constructed and validated enzymatic models complexed with their natural ligands, the interaction energy calculations between the models and their substrates and the comparative structural study carried out between them provide us with a theoretical basis for the search for new Sirtuin 2 inhibitors that are more selective and potent against the parasitic enzymes, paving the way for the development of safer and more effective leishmanicidal drug candidates

Diseño y evaluación computacional de LYTACS para la degradación selectiva de MMP-2 / Computational design and evaluation of LYTACS for the selective degradation of MMP-2

Los LYTACs (LYsosome TArgeting Chimeras) son una novedosa estrategia farmacológica basada en la degradación dirigida de proteínas extracelulares y transmembrana. Su mecanismo de acción se basa en la utilización de un receptor de membrana para internalizar a una proteína diana y promover su degradación lisosomal. Hasta la fecha, su desarrollo se ha basado en el uso de anticuerpos para la unión a la proteína diana, lo cual presenta ciertas desventajas desde el punto de vista farmacocinético y sintético. El objetivo de este trabajo es diseñar un LYTAC capaz de inducir la degradación selectiva de MMP-2 (LYTAC-MMP2), una metaloproteasa de la matriz que se encuentra sobreexpresada en diversos tipos de cáncer. LYTAC-MMP2 está formado por un ligando del receptor de manosa-6-fosfato independiente de cationes (CI- MPR) y un inhibidor selectivo de MMP2 previamente descrito. Se han empleado métodos computacionales de modelado por homología, docking y dinámica molecular para estudiar el receptor CI-MPR y su mecanismo de internalización, así como para la comparación del comportamiento dinámico libre en agua de un ligando de CI-MPR descrito en la bibliografía y el LYTAC-MMP2.(AU)

LYTACs (LYsosome TArgeting Chimeras) are a novel pharmacological strategy based on the targeted protein degradation of extracellular and transmembrane proteins. Their mechanism of action is based on the use of a membrane receptor to internalize a target protein and mediate its lysosomal degradation. To date, its development has been focused on the use of antibodies for target binding, which has certain disadvantages from the pharmacokinetic and synthetic point of view. The aim of this work is to design a LYTAC capable of inducing the selective degradation of MMP-2 (LYTAC-MMP2), a matrix metalloprotease that is overexpressed in many types of cancer. LYTAC-MMP2 consists of a cation-independent mannose-6-phosphate receptor (CI-MPR) ligand and a selective MMP-2 inhibitor developed by our research group. Computational methods of homology modelling, docking and molecular dynamics have been used to study the CI-MPR receptor and its internalization mechanism, as well as for the comparison of the dynamic behaviour in water of a CI-MPR ligand described in the literature and LYTAC-MMP2.(AU)

Dynamics and Energetics of a Bromodomain in complex with bromosporine from Leishmania donovani

Leishmaniasis continues to be a neglected tropical disease, affecting people and animals and causing significant economic losses. Therefore, there is interest in the study and evaluation of new drug targets. In fact, it has been shown that by interfering with lysine-reading proteins such as bromodomain (BMD) there is a decrease in parasite survival. In this study, we researched the dynamics and energetics of the Leishmania donovani BMD in complex with bromosporin, which is considered to be a pan-inhibitor of BMDs, with the aim of understanding the molecular recognition mechanism. Molecular dynamics (MD) and non-equilibrium free energy calculation guided by steered molecular dynamics (SMD) simulations showed that the BMD has three flexible amino acid regions and bromosporin exhibiting various recognition states during the interaction. These results corroborate the promiscuity of bromosporin for energetically favourable sites, with the possibility of expanding its inhibition to other bromodomains. Furthermore, these results suggest that Van der Waals interactions have more relevance for complex recognition and residues ASN-87 and TRP-93 are key in forming hydrophobic and H-bond interactions, respectively. This research provides new insights for understanding the recognition mechanism, dynamics and energetics of the complex for the development of new therapeutic strategies.

La leishmaniasis sigue siendo una enfermedad tropical desatendida, que afecta a personas y animales y causa importantes pérdidas económicas. De ahí el interés por estudiar y evaluar nuevas dianas farmacológicas. De hecho, se ha demostrado que al interferir con proteínas lectoras de lisina como el bromodominio ("bromodomain", BMD) se produce una disminución de la supervivencia del parásito. En este artículo estudiamos la dinámica y la energética del BMD de Leishmania donovani en complejo con bromosporina, que se considera un pan-inhibidor de BMD, con el objetivo de comprender el mecanismo de reconocimiento molecular. Las simulaciones de dinámica molecular (DM) y el cálculo de energía libre de no-equilibrio guiado por dinámica molecular de estiramiento (DMS) mostraron que BMD tiene tres regiones de aminoácidos flexibles y la bromosporina presenta varios estados de reconocimiento durante la interacción. Estos resultados corroboran la promiscuidad de la bromosporina por sitios energéticamente favorables, siendo posible expandir su inhibición a otros bromodominios. Además, los resultados sugieren que las interacciones de Van der Waals tienen más relevancia para el reconocimiento del complejo y los residuos ASN-87 y TRP-93 son clave en la formación de interacciones hidrofóbicas y de puentes de hidrógeno, respectivamente. Esta investigación proporciona nuevos conocimientos para comprender el mecanismo de reconocimiento molecular, la dinámica y la energética del complejo para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas.

A leishmaniose continua a ser uma doença tropical negligenciada, que afeta os seres humanos e os animais e causa perdas econômicas significativas. Daí o interesse em estudar e avaliar novos alvos de medicamentos. De fato, a interferência com proteínas leitoras de lisina, como o bromo domínio ("bromodomain", BMD), tem demonstrado diminuir a sobrevivência do parasita. Neste trabalho, estudamos a dinâmica e a energética do BMD de Leish-mania donovani em complexo com a bro-mosporina, considerada um pan-inibidor da BMDs, com o objetivo de compreender o mecanismo de reconhecimento molecular. As simulações de dinâmica molecular (MD) e cálculo de energia livre de não-equilíbrio guiada por dinâmica molecular esticamento (MDS) mostraram que o BMD tem três regiões de aminoácidos flexíveis e que a bromosporina apresenta vários estados de reconhecimento durante a interação. Esses resultados corroboram a promiscuidade da bromosporina para locais energeticamente favoráveis, possibilitando a expansão de sua inibição para outros bromodomínios. Além disso, os resultados sugerem que as interações de Van der Waals são mais relevantes no momento do reconhecimento do complexo e os resíduos ASN-87 e TRP-93 são fundamentais na formação de interações hidrofóbicas e de ligações de hidrogênio, respectivamente. Essa pesquisa fornece novos insights para compreender o mecanismo de reconhecimento, a dinâmica e a energética do complexo para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas.

Fosfatase Cdc25B: Interações transientes intramoleculares e complexação com pequenos ligantes / Cdc25B phosphatase: Transient intramolecular interactions and small molecules complexation

Proteínas tirosina-fosfatase (PTPs) possuem papel fundamental na regulação da transdução de sinais e estão envolvidas em diversos processos fundamentais do ciclo celular. As Cdc25 (Cell Division Cycle 25) são fosfatases duais encontradas em todos os organismos eucarióticos e atuam em checkpoints do ciclo celular, permitindo ou inibindo o prosseguimento deste. Este grupo de proteínas pertence à classe de PTPs com atividade baseada em cisteína, apresenta domínio catalítico altamente conservado assim como o motivo catalítico, P-loop. Devido sua função, as Cdc25 são consideradas possíveis alvos terapêuticos para tratamento de câncer e sua interação com pequenas moléculas e inibidores tem sido investigada de forma que análises estruturais e de ligação das Cdc25 com inibidores podem elucidar aspectos importantes do mecanismo de ação destes além de direcionar para o desenho racional de fármacos. Interações cátion-π são interações intra ou intermoleculares não-covalentes que ocorrem entre uma espécie química catiônica, como o grupo guanidino de argininas, e uma das faces de um sistema π rico em elétrons, como dos anéis indólicos de triptofanos. Apesar de pouco discutidas na literatura, quando em comparação às interações não-covalentes mais convencionais, do ponto de vista energético as interações cátion-π são tão importantes na estruturação de proteínas quanto às ligações de hidrogênio ou pontes salinas. De fato estas interações são observadas com frequência em estruturas proteicas resolvidas. O domínio catalítico da Cdc25B possui diversas argininas expostas em sua superfície e um único resíduo de triptofano localizado na região C-terminal flexível, muito próximo do sítio catalítico da proteína. A flexibilidade de proteínas ou de regiões proteicas apresenta importante papel no reconhecimento entre biomoléculas participantes de vias de sinalização e tem sido muito estudada atualmente. Aqui, simulações de dinâmica molecular, experimentos de 1H-15N HSQC RMN, ensaios de cinética de inibição e de ancoragem molecular, evidenciam a existência de contatos cátion-π transientes na superfície de um importante membro da família das Cdc25, a Cdc25B, e de sítios de interação entre inibidores testados e a proteína com destaque a sítios na proximidades do P-loop, região próxima ao C-terminal desordenado, onde se demonstra estabilidade da interação com os pequenos ligantes

Protein tyrosine phosphatase (PTPs) play a fundamental role in the regulation of signal transduction and are involved in several fundamental processes of the cell cycle. Cdc25 (Cell Division Cycle 25) are dual phosphatases found in all eukaryotic organisms and act at checkpoints of the cell cycle, allowing or inhibiting its progression. This group of proteins belongs to the class of PTPs with cysteine-based activity, presenting a highly conserved catalytic domain as well as the catalytic motif, P-loop. Due to their function, Cdc25 are considered possible therapeutic targets for cancer treatment and their interaction with small molecules and inhibitors has been investigated so that structural and binding analyzes of Cdc25 with inhibitors can elucidate important aspects of their mechanism of action besides directing to rational drug design. Cation-π interactions are non-covalent intra- or intermolecular interactions that occur between a cationic chemical species, such as the guanidino group of arginines, and one of the faces of an electron-rich system, such as the indole rings of tryptophans. Although little discussed in the literature, when compared to more conventional non-covalent interactions, from the energetic point of view, cation-π interactions are as important in the structuring of proteins as hydrogen bonds or salt bridges. In fact, these interactions are frequently observed in solved protein structures. The catalytic domain of Cdc25B has several arginines exposed on its surface and a single tryptophan residue located in the flexible C-terminal region, very close to the catalytic site of the protein. The flexibility of proteins or protein regions plays an important role in the recognition between biomolecules participating in signaling pathways and has been extensively studied today. Here, molecular dynamics simulations, 1H-15N HSQC NMR experiments, inhibition kinetics and molecular anchoring assays, evidence the existence of transient cation-π contacts on the surface of an important member of the Cdc25 family, Cdc25B, and of sites of interaction between tested inhibitors and the protein, with emphasis on sites in the vicinity of the P-loop, a region close to the disordered C-terminus, where stability of the interaction with the small ligands is demonstrated

A threefold approach including quantum chemical, molecular docking and molecular dynamic studies to explore the natural compounds from Centaurea jacea as the potential inhibitors for COVID-19 / Uma abordagem tríplice incluindo química quântica, docking molecular e estudos dinâmicos moleculares para explorar os compostos naturais de Centaurea jacea como inibidores potenciais para Covid-19

In the current report, we studied the possible inhibitors of COVID-19 from bioactive constituents of Centaurea jacea using a threefold approach consisting of quantum chemical, molecular docking and molecular dynamic techniques. Centaurea jacea is a perennial herb often used in folk medicines of dermatological complaints and fever. Moreover, anticancer, antioxidant, antibacterial and antiviral properties of its bioactive compounds are also reported. The Mpro (Main proteases) was docked with different compounds of Centaurea jacea through molecular docking. All the studied compounds including apigenin, axillarin, Centaureidin, Cirsiliol, Eupatorin and Isokaempferide, show suitable binding affinities to the binding site of SARS-CoV-2 main protease with their binding energies -6.7 kcal/mol, -7.4 kcal/mol, -7.0 kcal/mol, -5.8 kcal/mol, -6.2 kcal/mol and -6.8 kcal/mol, respectively. Among all studied compounds, axillarin was found to have maximum inhibitor efficiency followed by Centaureidin, Isokaempferide, Apigenin, Eupatorin and Cirsiliol. Our results suggested that axillarin binds with the most crucial catalytic residues CYS145 and HIS41 of the Mpro, moreover axillarin shows 5 hydrogen bond interactions and 5 hydrophobic interactions with various residues of Mpro. Furthermore, the molecular dynamic calculations over 60 ns (6×106 femtosecond) time scale also shown significant insights into the binding effects of axillarin with Mpro of SARS-CoV-2 by imitating protein like aqueous environment. From molecular dynamic calculations, the RMSD and RMSF computations indicate the stability and dynamics of the best docked complex in aqueous environment. The ADME properties and toxicity prediction analysis of axillarin also recommended it as safe drug candidate. Further, in vivo and in [...].

No presente relatório, estudamos os possíveis inibidores de Covid-19 de constituintes bioativos de Centaurea jacea usando uma abordagem tripla que consiste em técnicas de química quântica, docking molecular e dinâmica molecular. Centaurea jacea é uma erva perene frequentemente usada em remédios populares de doenças dermatológicas e febre. Além disso, as propriedades anticâncer, antioxidante, antibacteriana e antiviral de seus compostos bioativos também são relatadas. A Mpro (proteases principais) foi acoplada a diferentes compostos de Centaurea jacea por meio de docking molecular. Todos os compostos estudados, incluindo apigenina, axilarina, Centaureidina, Cirsiliol, Eupatorina e Isokaempferide, mostram afinidades de ligação adequadas ao sítio de ligação da protease principal SARS-CoV-2 com suas energias de ligação -6,7 kcal / mol, -7,4 kcal / mol, - 7,0 kcal / mol, -5,8 kcal / mol, -6,2 kcal / mol e -6,8 kcal / mol, respectivamente. Dentre todos os compostos estudados, a axilarina apresentou eficiência máxima de inibidor, seguida pela Centaureidina, Isokaempferida, Apigenina, Eupatorina e Cirsiliol. Nossos resultados sugeriram que a axilarina se liga aos resíduos catalíticos mais cruciais CYS145 e HIS41 do Mpro, além disso a axilarina mostra 5 interações de ligações de hidrogênio e 5 interações hidrofóbicas com vários resíduos de Mpro. Além disso, os cálculos de dinâmica molecular em uma escala de tempo de 60 ns (6 × 106 femtossegundos) também mostraram percepções significativas sobre os efeitos de ligação da axilarina com Mpro de SARS-CoV-2 por imitação de proteínas como o ambiente aquoso. A partir de cálculos de dinâmica molecular, os cálculos RMSD e RMSF indicam a estabilidade e dinâmica do melhor complexo ancorado em ambiente [...].

A threefold approach including quantum chemical, molecular docking and molecular dynamic studies to explore the natural compounds from Centaurea jacea as the potential inhibitors for COVID-19

Abstract In the current report, we studied the possible inhibitors of COVID-19 from bioactive constituents of Centaurea jacea using a threefold approach consisting of quantum chemical, molecular docking and molecular dynamic techniques. Centaurea jacea is a perennial herb often used in folk medicines of dermatological complaints and fever. Moreover, anticancer, antioxidant, antibacterial and antiviral properties of its bioactive compounds are also reported. The Mpro (Main proteases) was docked with different compounds of Centaurea jacea through molecular docking. All the studied compounds including apigenin, axillarin, Centaureidin, Cirsiliol, Eupatorin and Isokaempferide, show suitable binding affinities to the binding site of SARS-CoV-2 main protease with their binding energies -6.7 kcal/mol, -7.4 kcal/mol, -7.0 kcal/mol, -5.8 kcal/mol, -6.2 kcal/mol and -6.8 kcal/mol, respectively. Among all studied compounds, axillarin was found to have maximum inhibitor efficiency followed by Centaureidin, Isokaempferide, Apigenin, Eupatorin and Cirsiliol. Our results suggested that axillarin binds with the most crucial catalytic residues CYS145 and HIS41 of the Mpro, moreover axillarin shows 5 hydrogen bond interactions and 5 hydrophobic interactions with various residues of Mpro. Furthermore, the molecular dynamic calculations over 60 ns (6×106 femtosecond) time scale also shown significant insights into the binding effects of axillarin with Mpro of SARS-CoV-2 by imitating protein like aqueous environment. From molecular dynamic calculations, the RMSD and RMSF computations indicate the stability and dynamics of the best docked complex in aqueous environment. The ADME properties and toxicity prediction analysis of axillarin also recommended it as safe drug candidate. Further, in vivo and in vitro investigations are essential to ensure the anti SARS-CoV-2 activity of all bioactive compounds particularly axillarin to encourage preventive use of Centaurea jacea against COVID-19 infections.

Resumo No presente relatório, estudamos os possíveis inibidores de Covid-19 de constituintes bioativos de Centaurea jacea usando uma abordagem tripla que consiste em técnicas de química quântica, docking molecular e dinâmica molecular. Centaurea jacea é uma erva perene frequentemente usada em remédios populares de doenças dermatológicas e febre. Além disso, as propriedades anticâncer, antioxidante, antibacteriana e antiviral de seus compostos bioativos também são relatadas. A Mpro (proteases principais) foi acoplada a diferentes compostos de Centaurea jacea por meio de docking molecular. Todos os compostos estudados, incluindo apigenina, axilarina, Centaureidina, Cirsiliol, Eupatorina e Isokaempferide, mostram afinidades de ligação adequadas ao sítio de ligação da protease principal SARS-CoV-2 com suas energias de ligação -6,7 kcal / mol, -7,4 kcal / mol, - 7,0 kcal / mol, -5,8 kcal / mol, -6,2 kcal / mol e -6,8 kcal / mol, respectivamente. Dentre todos os compostos estudados, a axilarina apresentou eficiência máxima de inibidor, seguida pela Centaureidina, Isokaempferida, Apigenina, Eupatorina e Cirsiliol. Nossos resultados sugeriram que a axilarina se liga aos resíduos catalíticos mais cruciais CYS145 e HIS41 do Mpro, além disso a axilarina mostra 5 interações de ligações de hidrogênio e 5 interações hidrofóbicas com vários resíduos de Mpro. Além disso, os cálculos de dinâmica molecular em uma escala de tempo de 60 ns (6 × 106 femtossegundos) também mostraram percepções significativas sobre os efeitos de ligação da axilarina com Mpro de SARS-CoV-2 por imitação de proteínas como o ambiente aquoso. A partir de cálculos de dinâmica molecular, os cálculos RMSD e RMSF indicam a estabilidade e dinâmica do melhor complexo ancorado em ambiente aquoso. As propriedades ADME e a análise de previsão de toxicidade da axilarina também a recomendaram como um candidato a medicamento seguro. Além disso, as investigações in vivo e in vitro são essenciais para garantir a atividade anti-SARS-CoV-2 de todos os compostos bioativos, particularmente a axilarina, para encorajar o uso preventivo de Centaurea jacea contra infecções por Covid-19.

A threefold approach including quantum chemical, molecular docking and molecular dynamic studies to explore the natural compounds from Centaurea jacea as the potential inhibitors for COVID-19 / Uma abordagem tríplice incluindo química quântica, docking molecular e estudos dinâmicos moleculares para explorar os compostos naturais de Centaurea jacea como inibidores potenciais para Covid-19

Abstract In the current report, we studied the possible inhibitors of COVID-19 from bioactive constituents of Centaurea jacea using a threefold approach consisting of quantum chemical, molecular docking and molecular dynamic techniques. Centaurea jacea is a perennial herb often used in folk medicines of dermatological complaints and fever. Moreover, anticancer, antioxidant, antibacterial and antiviral properties of its bioactive compounds are also reported. The Mpro (Main proteases) was docked with different compounds of Centaurea jacea through molecular docking. All the studied compounds including apigenin, axillarin, Centaureidin, Cirsiliol, Eupatorin and Isokaempferide, show suitable binding affinities to the binding site of SARS-CoV-2 main protease with their binding energies -6.7 kcal/mol, -7.4 kcal/mol, -7.0 kcal/mol, -5.8 kcal/mol, -6.2 kcal/mol and -6.8 kcal/mol, respectively. Among all studied compounds, axillarin was found to have maximum inhibitor efficiency followed by Centaureidin, Isokaempferide, Apigenin, Eupatorin and Cirsiliol. Our results suggested that axillarin binds with the most crucial catalytic residues CYS145 and HIS41 of the Mpro, moreover axillarin shows 5 hydrogen bond interactions and 5 hydrophobic interactions with various residues of Mpro. Furthermore, the molecular dynamic calculations over 60 ns (6×106 femtosecond) time scale also shown significant insights into the binding effects of axillarin with Mpro of SARS-CoV-2 by imitating protein like aqueous environment. From molecular dynamic calculations, the RMSD and RMSF computations indicate the stability and dynamics of the best docked complex in aqueous environment. The ADME properties and toxicity prediction analysis of axillarin also recommended it as safe drug candidate. Further, in vivo and in vitro investigations are essential to ensure the anti SARS-CoV-2 activity of all bioactive compounds particularly axillarin to encourage preventive use of Centaurea jacea against COVID-19 infections.

Resumo No presente relatório, estudamos os possíveis inibidores de Covid-19 de constituintes bioativos de Centaurea jacea usando uma abordagem tripla que consiste em técnicas de química quântica, docking molecular e dinâmica molecular. Centaurea jacea é uma erva perene frequentemente usada em remédios populares de doenças dermatológicas e febre. Além disso, as propriedades anticâncer, antioxidante, antibacteriana e antiviral de seus compostos bioativos também são relatadas. A Mpro (proteases principais) foi acoplada a diferentes compostos de Centaurea jacea por meio de docking molecular. Todos os compostos estudados, incluindo apigenina, axilarina, Centaureidina, Cirsiliol, Eupatorina e Isokaempferide, mostram afinidades de ligação adequadas ao sítio de ligação da protease principal SARS-CoV-2 com suas energias de ligação -6,7 kcal / mol, -7,4 kcal / mol, - 7,0 kcal / mol, -5,8 kcal / mol, -6,2 kcal / mol e -6,8 kcal / mol, respectivamente. Dentre todos os compostos estudados, a axilarina apresentou eficiência máxima de inibidor, seguida pela Centaureidina, Isokaempferida, Apigenina, Eupatorina e Cirsiliol. Nossos resultados sugeriram que a axilarina se liga aos resíduos catalíticos mais cruciais CYS145 e HIS41 do Mpro, além disso a axilarina mostra 5 interações de ligações de hidrogênio e 5 interações hidrofóbicas com vários resíduos de Mpro. Além disso, os cálculos de dinâmica molecular em uma escala de tempo de 60 ns (6 × 106 femtossegundos) também mostraram percepções significativas sobre os efeitos de ligação da axilarina com Mpro de SARS-CoV-2 por imitação de proteínas como o ambiente aquoso. A partir de cálculos de dinâmica molecular, os cálculos RMSD e RMSF indicam a estabilidade e dinâmica do melhor complexo ancorado em ambiente aquoso. As propriedades ADME e a análise de previsão de toxicidade da axilarina também a recomendaram como um candidato a medicamento seguro. Além disso, as investigações in vivo e in vitro são essenciais para garantir a atividade anti-SARS-CoV-2 de todos os compostos bioativos, particularmente a axilarina, para encorajar o uso preventivo de Centaurea jacea contra infecções por Covid-19.

A computational predicting of possible inhibitors of the main SARS-CoV-2 protease found in Algerian herbal medicines

COVID-19 is a zoonotic viral disease caused by the SARS-CoV-2 virus. Its abrupt outbreak has caused a tremendous challenge to public health systems due to the rapid spread of the virus. In this sense, a great deal of work has been focused on finding substances from herbal plants to be used against this virus. In order to investigate the molecular interactions between natural metabolites from Algerian herbal plants and the SARS-CoV-2 protease Mpro, computational docking and molecular dynamics were used, also the drug likeness degree and in silico ADMET prediction were carried out in this study. warfarin and catalponol preferentially binds to a pocket of the SARS-Cov-2 Mpro active site that is made up of residues His 41 to Glu 166 and Leu 27 to His 163 with a relatively low binding energy of -7.1 and -6.6 kcal/mol respectively. Dynamic molecular assay further established that only warfarin managed to stay in the active site. The results suggest that warfarin may be an interesting candidate for development as a medical treatment of COVID-19 and more research is proposed, without disregarding its toxicity which deserves to be well studied.

El COVID-19 es una enfermedad zoonótica causada por el virus SARS-CoV-2. Su abrupto brote en años recientes ha supuesto un tremendo desafío para los sistemas de salud pública, como resultado de la rápida propagación del virus. En tal sentido, muchos trabajos se han centrado en encontrar sustancias de origen vegetal, para ser utilizadas contra este virus. Se realizaron estudios de acoplamiento computacional y dinámica molecular para investigar las interacciones moleculares entre los metabolitos secundarios de las plantas herbales argelinas con la Proteasa Mpro del SARS-CoV-2, también se realizaron estudios de semejanza con drogas mediante ADMET computacional. La warfarina y el catalponol se unen preferentemente al sitio activo SARS-Cov-2 Mpro que se compone de residuos His 41 a Glu 166 y Leu 27 a His 163 con una energía de enlace relativamente baja, -7,1 y -6,6 kcal/mol respectivamente. Los ensayos de dinámica molecular establecieron además que sólo la warfarina logró permanecer en el sitio activo. Estos resultados sugieren que la warfarina puede ser un candidato interesante para el desarrollo como tratamiento médico de COVID-19 e instan a realizar más investigaciones, sin dejar de lado estudios de toxicidad respectivos.

A COVID-19 é uma doença zoonótica causada pelo vírus SARS-CoV-2, cujo surto abrupto nos últimos anos representou um tremendo desafio para os sistemas de saúde pública devido à rápida disseminação do vírus. Nesse sentido, muitos trabalhos têm se concentrado em encontrar substâncias de origem vegetal, para serem utilizadas contra esse vírus. Estudos de ancoragem computacional e dinâmica molecular foram conduzidos para investigar as interações moleculares entre metabólitos secundários de ervas argelinas com o SARS-CoV-2 Protease Mpro, estudos de similaridade de drogas também foram conduzidos usando ADMET in silico. A varfarina e o catalponol ligam-se preferencialmente ao sítio ativo SARS-Cov-2 Mpro que é composto pelos resíduos His 41 a Glu 166 e Leu 27 a His 163 com uma energia de ligação relativamente baixa, -7,1 e -6,6 kcal/mol, respectivamente. Ensaios de dinâmica molecular estabeleceram ainda que apenas a varfarina conseguiu permanecer no sítio ativo. Esses resultados sugerem que a varfarina pode ser um candidato interessante para desenvolvimento como tratamento médico para COVID-19 e exigem mais pesquisas, incluindo os respectivos estudos de toxicidade.

Propuesta de un modelo computacional para el estudio de la selectividad de los inhibidores alostéricos de PTP1B / Proposal for a computational model to study the selectivity between PTP1B and its allosteric inhibitors

La diabetes mellitus tipo II ha emergido como una pandemia mundial, convirtiéndose en un grave problema de salud pública para muchos países. Los tratamientos actuales presentan efectos adversos indeseables, falta de eficacia o simplemente solo tratan los síntomas, no las causas. La proteína tirosina fosfatasa 1B se ha reconocido como una diana prometedora para el tratamiento de esta enfermedad. A pesar de todos los estudios realizados sobre esta enzima, apenas existe conocimiento acerca de la selectividad entre esta y la tirosina fosfatasa de linfocitos T, su homólogo más cercano, responsable de complicados efectos adversos. En este estudio, las aproximaciones computacionales aplicadas a un inhibidor alostérico previamente descrito de esta enzima, han permitido identificar un residuo de fenilalanina como crucial para esta selectividad. Los resultados han permitido explicar esta selectividad desde el punto de vista bioquímico y guiarán el diseño de nuevos fármacos más potentes y selectivos. (AU)

Diabetes mellitus type II has spread as a problematic pandemia for countries all over the world. Despite of the current available treatments, approved drugs still show undesirable side effects, loss of efficacy or they target symptoms instead of causes. Since its discovery, protein tyrosine phosphatase 1B has emerged as a very promising target against this disease. Despite of the information about the enzyme, there is no knowledge regarding the selectivity between this enzyme and its closest homologue, lymphocyte T tyrosine phosphatase, responsible of complicate side effects. In this study different computational approaches have let us to highlight the importance of a phenylalanine residue located in protein tyrosine phosphatase 1B, but no in its homologue, as a crucial hotspot that causes selectivity. These results let to explain the observed selectivity and they can be used as a guide for the design of new inhibitors. (AU)

Síntese, avaliação biológica e modelagem molecular de potenciais antitumorais análogos da sanguinarina planejados por simplificação molecular / Synthesis, biological evaluation and molecular modeling of potential antitumors analogues from sanguinarine designed by molecular simplification

A sanguinarina é um alcaloide capaz de inibir Bcl-xL, uma proteína antiapoptótica que se encontra superexpressa em linhagens tumorais e que está frequentemente relacionada à resistência destas frente a quimioterápicos antineoplásicos. No intuito de identificar potenciais agentes antitumorais, o objetivo deste trabalho foi sintetizar três séries de análogos da sanguinarina planejados por simplificação molecular e avaliar sua atividade biológica. Dez N-benzil-naftil-aminas (3a-e; 4a-e) e dez arilisoquinolinas (6a-e; 7a-e) foram sintetizadas em duas a três etapas reacionais, utilizando-se métodos de aminação redutiva e acoplamento de Suzuki. Insucesso na etapa de reação de Heck impossibilitou a síntese da terceira série, benzofenantridínica, apesar de testadas diversas condições reacionais. Avaliação da citotoxicidade em linhagens de glioblastoma U87MG revelou que a série N-benzilnaftil-amina apresenta melhor atividade quando comparada às aril-isoquinolinas, sendo para ambas, observada atividade superior à temozolamida, principal fármaco para o tratamento de glioblastoma. Estudos em linhagem não tumorigênica MRC-5 demonstraram que os análogos foram significativamente superiores à sanguinarina em relação à seletividade. Os compostos mais mais promissores, 4a e 6e, induziram morte celular por apoptose e causaram despolarização da membrana mitocondrial, indicando morte apoptótica pela via extrínseca. Ademais, 4a interrompeu o ciclo interrompeu o ciclo celular na fase G2/M, indicando que o mesmo seria um agente ciclo celular específico. Simulações de dinâmica molecular sugerem que os compostos interagem com a proteína Bcl-xL principalmente por interações hidrofóbicas, e que o composto 4a apresentaria afinidade com o alvo semelhante à sanguinarina, embora esta tenha apresentado atividade superior em células U87. Perspectivas incluem estudos das vias de indução de morte celular, além da expansão do painel de células. Conclui-se, portanto, que os análogos da sanguinarina representam um arcabouço a ser explorado pelos químicos medicinais no desenvolvimento de potenciais antineoplásico

Sanguinarine is an alkaloid able to inhibit Bcl-xL, an antiapoptotic protein which is overexpressed in tumor cells and related to their resistance against antineoplastic chemotherapy. Regarding to develop potential antitumor agents, the aim of this work was the synthesis of three series of sanguinarine analogues designed by molecular simplification and their biological evaluation. Ten N-benzyl-naphtyl-amines (3a-e; 4ae) and ten aryl-isoquinolines (6a-e; 7a-e) were synthesized in two or three reaction steps through reductive amination and Suzuki coupling. Failure about Heck-type reaction had impaired the synthesis of the thirth series, benzophenanthridine, although several conditions were tested. Cytotoxicity evaluation against U87MG glioblastoma cell line showed that N-benzyl-naphtyl-amines are more active than aryl-isoquinolines and both series were superior to temozolamide, the main drug for glioblastoma treatment. Tests against non-tumorigenic cell MRC-5 indicated that the analogues were significantly superior to sanguinarine regarding selectivity. The most promising compounds, 4a e 6e, induced cell death by apoptosis and mitochondrial membrane depolarization, indicating apoptotic death by extrinsic pathway. 4a provide cell cycle arrest at G2/M phase, suggesting that it is a specific cell cycle agent. Molecular dynamics suggested that compounds interact with Bcl-xL mainly by hydrophobic interactions and 4a has affinity to the protein like sanguinarine, although the last showed superior activity against U87 cells. Perspectives include mechanistics studies about cell death pathway and expanding cell panel. In conclusion, sanguinarine anlogues represent a scaffold to be explored by medicinal chemists to the development of potential antitumor agent

Busca por inibidores seletivos de Sirtuína 2 de T. cruzi empregando técnicas de planejamento de fármacos baseadona estrutura do receptor / Search for selective inhibitors of T. cruzi Sirtuin 2 employing drug design techniques based on receptor structure

A doença de Chagas, causada pelo parasita Trypanosoma cruzi, acomete entre 6 a 8 milhões de pessoas em todo o mundo. Conhecida como tripanossomíase americana, por ter sido considerada endêmica apenas na América Latina, esta doença, se espalhou para outros continentes devido aos movimentos migratórios se tornando um problema de sáude mundial. Estima-se que 56.000 novos casos e cerca de 12.000 mortes por complicações relacionadas à doença de Chagas anualmente. A quimioterapia disponível para o tratamento é composta apenas por dois fármacos, nifurtimox e benznidazol, no entanto são pouco eficazes na fase crônica da doença. Estes fármacos apresentarem, ainda, efeitos adversos graves e resistência por parte de algumas cepas do parasita. Diante deste panorama, é iminente a necessidade da busca de novos fármacos contra T. cruzi. Para a busca racional de novos quimiterapicos antiparasitários é fundamental a identificação e caracterização de vias metabólicas essenciais à sobrevivência dos parasitas. Assim, a enzima sirtuína 2 - Silent Information Regulator 2 (Sir2), tem importante papel para a infecção por T. cruzi, pois está totalmente envolvida no seu ciclo celular do parasita. Esta é uma enzima NAD+ dependente da classe III histona desacetilases, e se mostra como um interessante alvo bioquímico para o desenvolvimento de antichagásicos. A disponibilidade do sequenciamento genômico da Sir2 nos permite utilizar estratégias de planejamento de fármaco baseado no receptor (SBDD - Structure Based Drug Design) na identificação de candidatos a fármacos para essa doença. Entre as técnicas modernas de SBDD utilizadas, a triagem virtual possibilita identificar e selecionar inibidores enzimáticos potentes e seletivos para o alvo escolhido. Assim, neste trabalho, foi construído por meio da técnica de modelagem comparativa o modelo da enzima Sir2 de T. cruzi. Uma simulação por dinâmica molecular de 200ns, foi realizada para averiguar a estabilidade do modelo obtido. Diante da estabilização do modelo a partir de 100ns, o mesmo foi validado utilizando análise de clusters, RMSD (Root-mean-square Deviation) e análises de frequência de ligações de hidrogênio com o Cofator (NAD+) e os aminoácidos do sítio de catálise foram observadas, estes passos de simulação e validação foram realizados no programa DESMOND. Com o modelo robusto, os campos de interações moleculares (MIFs) foram gerados no programa GRID (Molecular Discovery v2.1) com o intuito de elucidar as regiões favoráveis a interação com a enzima em relação a propriedades físico-químicas da Sir2. A partir dos MIFs favoráveis a Sir2 de T. cruzi foi possível a construção de dois modelos farmacofóricos, o qual se baseou nas interações do Cofator (NAD+) e o sítio de catálise (Nicotinamida). O mesmo foi apliacdo como filtro para Triagem Virtual no programa UNITY da plataforma SYBYL X 2.0, utilizando os bancos de dados ZINC15 e GSK. A triagem resultou na seleção de 8 compostos candidatos a inibidores. Destes foram adquiridos 6 compostos por serem considerados mais promissores devido a complementariedade molecular. Estes foram testados contra a enzima de T. cruzi Sri2. Após o ensaio foi possível avaliar a potência de 4 compostos, sendo o composto CDMS-01 (IC50 = 39,9uM) o mais promissor que será submetido à processos de otimização molecular

Chagas disease, caused by the parasite Trypanosoma cruzi, affects between 6 and 8 million people worldwide. Also known as American trypanosomiasis, because it is considered endemic only in Latin America, but has spread to other continents due to migratory movements. It is estimated that 56,000 new cases and about 12,000 deaths from complications related to Chagas disease annually. The chemotherapy available for treatment consists of only two drugs, nifurtimox and benznidazole, however these are poorly effective in the chronic phase. These drugs also have serious adverse effects and resistance from strains of the parasite. Faced with this scenario, the need to search for new drugs against T. cruzi is imminent. For the drug planning for new antiparasitic chemotherapics, the identification and characterization of metabolic pathways essential to the survival of parasites is fundamental. Therewith, the sirtuin 2 - Silent Information Regulator 2 (Sir2) enzyme has an important role for T. cruzi infection, since Sir2 in the parasite is totally involved in its cell cycle. This is an NAD+-dependent enzyme of class III histone deacetylases, and it shows an interesting biochemical target for the development of antichagasic. The availability of Sir2 genomic sequencing allows us to use SBDD (Structure Based Drug Design) strategies in identifying drug candidates for this disease. Among the modern techniques of SBDD used, virtual screening makes it possible to identify and select potent and selective enzyme inhibitors for the chosen target. The model of the T. cruzi Sir2 enzyme was constructed using the comparative modeling technique. A molecular dynamics simulation of 200ns was performed to ascertain the stability of the obtained model. Considering the stabilization of the model from 100ns, it was validated using cluster analysis, Root-mean-square Deviation (RMSD) and hydrogen bond frequency analyzes with Cofator (NAD+) and the amino acids of the catalysis site were observed, these simulation and validation steps were performed in the DESMOND program. With the robust model, the molecular interaction fields (MIFs) were generated in the GRID program (Molecular Discovery v2.1) in order to elucidate the regions favorable to the interaction with the enzyme in relation to the physicalchemical properties of Sir2. From the MIFs favorable to Sir2 of T. cruzi it was possible to construct two pharmacophoric models, which was based on the interactions of Cofator (NAD+) and the catalysis site (Nicotinamide). It was also applied as a Virtual screening filter in the UNITY program of the SYBYL X 2.0 platform, using the ZINC15 and GSK databases. Screening resulted in the selection of 8 inhibitor candidate compounds. Six compounds were obtained from the screening, because they were considered more promising, and were tested against T. cruzi Sri2 enzyme. After the assay it was possible to evaluate the potency of 4 compounds, the most promising compound being CDMS-01 (IC50 = 39.9 µM) that will be submitted to molecular optimization processes

Modelagem molecular aplicada à elucidação dos mecanismos envolvidos na ação antiproliferativa e hemolítica das alquilfosfocolinas / Molecular modeling applied to the elucidation of the antiproliferative and hemolytic mechanisms of action of alkylphosphocholines

As alquilfosfocolinas (APC) são uma classe de fármacos derivados de fosfolipídios endógenos que apresentam potencial antitumoral. Diferentemente de outros fármacos antitumorais que agem no DNA da célula, as APCs têm como primeiro local de ação a membrana plasmática e proteínas de sinalização, como a PKC. O objetivo desse trabalho é elucidar, através de metodologias computacionais, os possíveis mecanismos de ação das APCs que provocam hemólise, inibição da PKC e interação com membranas celulares. Inicialmente, a toxicidade de um conjunto de 34 APCs foi estudada pelos métodos quimiométricos de Análise de Agrupamentos Hierárquicos (HCA) e Componentes Principais (PCA). As moléculas foram simuladas com dinâmica molecular (DM) e propriedades físico-químicas e estruturais foram calculadas para os confôrmeros de menor energia. Após aplicação de HCA e PCA, as APCs foram divididas em 3 grupos, de acordo com suas características estruturais. Os resultados sugerem que a presença de grupos catiônicos volumosos, ou anéis como adamantila e ciclohexila, aumentam a hemólise de compostos de cadeia alquílica longa. Anéis macrocíclicos como ciclopentadecila parecem ser importantes para o potencial hemolítico de compostos com cadeia alquílica curta. Com relação a compostos sem anéis e de cadeia linear, grupos catiônicos menos volumosos parecem favorecer a hemólise. Na próxima etapa do estudo, 7 derivados de APC, com diferentes grupos catiônicos, foram selecionados e ancorados no domínio C2 da PKCα. O intuito foi mapear resíduos de aminoácidos importantes para a interação dos ligantes com a enzima, e comparar com o modo de ligação do ativador endógeno fosfatidilserina (PS). Mais uma vez, HCA e PCA foram aplicados para extrair informação relevante do mapeamento. Os resultados mostraram que as cadeias laterais de Pro188, Asn189, Arg216, Trp247, Asp249 e Thr250 não permitem a aproximação adequada do ligante, o que impede que a porção fosforila se coordene com um dos átomos de cálcio. A porção catiônica da PS, em contrapartida, consegue estabelecer ligação-hidrogênio com Asn189 de forma a posicionar os oxigênios da fosforila para interagir, ao mesmo tempo, com o átomo de cálcio. Com menos pontos de coordenação, a afinidade de ligação do cálcio pela PKCα diminui e a ativação da enzima fica comprometida, interrompendo toda a cascata de sinalização que depende dela. A parte final desse trabalho se dedicou ao estudo da interação da miltefosina com diferentes bicamadas lipídicas sob o ponto de vista termodinâmico. Oito bicamadas de diferentes fosfolipídios foram simuladas por DM e a interação energética da miltefosina foi calculada por Umbrella Sampling. Os resultados mostraram que a miltefosina apresenta maior partição em bicamadas contendo colesterol, sendo a miscibilidade nesses sistemas cerca de 76 vezes maior que os valores encontrados para bicamadas sem colesterol. Além disso, verificou-se que a internalização da miltefosina é mais fácil em regiões contendo lipídeos poli-insaturados, provavelmente devido ao empacotamento mais frouxo da bicamada. Os dados sugerem que a miltefosina age principalmente em rafts lipídicos e que células contendo mais lipídicos poli-insaturados podem incorporar maior quantidade do fármaco

Alquilfosfocolines (APCs) comprise a class of drugs with antitumor activity derived from endogenous phospholipids. Differently from other drugs whose primary site of action is the DNA, APCs act firstly in the plasma membrane and signaling proteins, such as PKC. The main objective of this work is to elucidate, via computational approaches, the possible mechanisms of actions that cause hemolysis, PKC inhibition and interaction with cellular membranes. Initially, a set of 34 APCs was studied by means of Hierarchical Cluster Analysis (HCA) and Principal Component Analysis (PCA). The molecules were simulated by means of molecular dynamics simulations (MD) and molecular and structural properties were calculated for the lowest-energy conformer. After HCA and PCA methodologies, the set was divided into 3 groups according to their structural features. The findings suggest that the presence of bulky cationic moieties, or the adamantyl and cyclohexil rings, increase the hemolytic potential of compounds with long alkyl chains. Macrocyclic rings, such as cyclopentadecyl, seem to be important to elevate the hemolysis of compounds with short alkyl chains. Regarding linear carbon chain derivatives with no ring substitution, less bulky cationic head groups seem to favor hemolysis. In the next step of this work, 7 APC derivatives were selected and docked in the C2 domain of PKCα. The aim now was to map the residues relevant for ligands interaction compared to the binding mode of the endogenous activator, phosphatidylserine (PS). HCA and PCA were again applied in order to extract relevant information from the mapping. The results showed that the lateral chains of Pro188, Asn189, Arg216, Trp247, Asp249 and Thr250 do not allow the proper approximation of the ligands, impeding the phosphoryl moiety from coordinating with one of the calcium atoms. On the other hand, the cationic moiety of PS forms hydrogen-bonding with Asn189 in order to position the oxygens to interact, at the same time, with a calcium atom. With less coordination sites, calcium binding affinity diminishes and the enzyme activation is compromised, interrupting the signaling cascade. The final part of this work was dedicated to the study of miltefosine interaction with different lipid bilayers from the thermodynamics standpoint. Eight bilayers were simulated with MD and the energetic interaction was calculated via Umbrella Sampling simulations. The findings showed that miltefosine has higher partition in bilayers containing cholesterol, with miscibility of about 76 times higher than the values referring to bilayers without cholesterol. Moreover, it was observed that the internalization of miltefosine is facilitated in regions containing polyunsaturated lipids, probably due to the looser packing. The data suggest that miltefosine acts primarily in lipid rafts, and that cells containing more polyunsaturated lipids in their membranes can incorporate higher quantities of this drug

Explicit and implicit modeling of nanobubbles in hydrophobic confinement

Water at normal conditions is a fluid thermodynamically close to the liquid-vapor phase coexistence and features a large surface tension. This combination can lead to interesting capillary phenomena on microscopic scales. Explicit water molecular dynamics (MD) computer simulations of hydrophobic solutes, for instance, give evidence of capillary evaporation on nanometer scales, i.e., the formation of nanometer-sized vapor bubbles (nanobubbles) between confining hydrophobic surfaces. This phenomenon has been exemplified for solutes with varying complexity, e.g., paraffin plates, coarse-grained homopolymers, biological and solid-state channels, and atomistically resolved proteins. It has been argued that nanobubbles strongly impact interactions in nanofluidic devices, translocation processes, and even in protein stability, function, and folding. As large-scale MD simulations are computationally expensive, the efficient multiscale modeling of nanobubbles and the prediction of their stability poses a formidable task to the'nanophysical' community. Recently, we have presented a conceptually novel and versatile implicit solvent model, namely, the variational implicit solvent model (VISM), which is based on a geometric energy functional. As reviewed here, first solvation studies of simple hydrophobic solutes using VISM coupled with the numerical level-set scheme show promising results, and, in particular, capture nanobubble formation and its subtle competition to local energetic potentials in hydrophobic confinement.

Água em condições normais consiste de um fluido termodinamicamente próximo à fase líquida-vapor exibindo alta tensão superficial. Esta combinação conduz a fenômenos capilares interessantes na escala microscópica. Simulações computacionais baseadas em técnicas de Dinâmica Molecular em solutos hidrofóbicos por exemplo fornecem evidências do fenômeno de evaporação capilar em escalas nanométricas dando origem à formação de bolhas nanométricas confinadas entre superfícies hidrofóbicas. Este fenômeno tem sido exemplificado em solutos de complexidade variável, ex placas de parafina, polímeros, canais biológicos e de estado sólido bem como proteínas tratadas atomicamente. Tem sido arguido quebolhas nanométricas possuem impacto significativo nos mecanismos fluídicos nanométricos e na estabilidade e dobramento de proteínas. Dado que simulações baseadas em dinâmica molecular são custosas computacionalmente, o desenvolvimento de uma modelagem multiescala eficiente sob o ponto de vista computacional impõe uma tarefa formidável à comunidadenano-física. Recentemente apresentamos um novo e versátil modelo de solvente denominado modelo implícito variacional de solvente (VISM) o qual é baseado em um funcional deenergia geométrica. Tal como apresentado aqui os primeiros estudos de solvatação de solutos hidrofóbicos simples usando VISM acoplados com esquemas numéricos de conjunto de níveis mostraram resultados promissores e em particular capturaram a formação de nano-bolhas e a sua competição com potenciais localmente energéticos em condições de confinamento hidrofóbico.

Towards the design of new and improved drilling fluid additives using molecular dynamics simulations

During exploration for oil and gas, a technical drilling fluid is used to lubricate the drill bit, maintain hydrostatic pressure, transmit sensor readings, remove rock cuttings and inhibit swelling of unstable clay based reactive shale formations. Increasing environmental awareness and resulting legislation has led to the search for new, improved biodegradable drilling fluid components. In the case of additives for clay swelling inhibition, an understanding of how existing effective additives interact with clays must be gained to allow the design of improved molecules. Owing to the disordered nature and nanoscopic dimension of the interlayer pores of clay minerals, computer simulations have become an increasingly useful tool for studying clay-swelling inhibitor interactions. In this work we briefly review the history of the development of technical drilling fluids, the environmental impact of drilling fluids and the use of computer simulations to study the interactions between clay minerals and swelling inhibitors. We report on results from some recent large-scale molecular dynamics simulation studies on low molecular weight water-soluble macromolecular inhibitor molecules. The structure and interactions of poly(propylene oxide)-diamine, poly(ethylene glycol) and poly(ethylene oxide)-diacrylate inhibitor molecules with montmorillonite clay are studied.

Durante a exploração de óleo e gás um fluido de perfuração é usado para lubrificar 'bit' da perfuradora, manter a pressão hidrostática, transmitir sensores de leitura, remover resíduos da rocha e inibir o inchamento da argila instável baseada nas formações dos folhelhos. O aumento das preocupações ambientais bem como a legislação resultante levou à procura de novos fluidos de perfuração com componentes biodegradáveis. No caso dos aditivos para inibir o inchamento das argilas o entendimento das interações entre os aditivos e as argilas tem que ser adquirido para permitir o projeto de moléculas commelhores propriedades. Devido à natureza desordenada da dimensão nanoscópica dos nano poros dos minerais argilosos, simulações computacionais têm se tornado uma ferramenta poderosa para estudar as interações entre o inchamento da argila e o inibidor. Neste trabalho revisamos brevemente o histórico do desenvolvimento de fluidos técnicos de perfuração, o impacto ambiental dos fluidos de perfuração e o uso de simulações computacionais para estudar as interações entre os fluidos de perfuração e os inibidores do inchamento. Nós reportamos resultados para alguns estudos baseados em simulações de dinâmica molecular em larga escala em uma solução aquosa de baixo peso molecular com solutos compostos por macromoléculas inibidoras. A estrutura e as interações entre inibidores compostos por polipropileno óxido, polietileno óxido e moléculas e a argila montmorilonita são estudadas.

Bridging molecular and continuous descriptions: the case of dynamics in clays

The theory of transport in porous media such as clays depends on the level of description. On the macroscopic scale,hydrodynamics equations are used. These continuous descriptions are convenient to model the fluid motion in a confined system. Nevertheless, they are valid only if the pores of the material are much larger than the molecular size of the components of the system. Another approach consists in using molecular descriptions. These two methods which correspond to different levels of description are complementary. The link between them can be clarified by using a coarse-graining procedure where the microscopic laws are averaged over fast variables to get the long time macroscopic laws. We present such an approach in the case of clays. Firstly, we detail the various levels of description and the relations among them, by emphasizing the validity domain of the hydrodynamic equations. Secondly, we focus on the case of dehydrated clays where hydrodynamics is not relevant. We show that it is possible to derive a simple model for the motion of the cesium ion based on the difference on time scale between the solvent and the solute particles.

A teoria de transporte em meios porosos tais como argilasdepende do nível de descrição. Na escala macroscópica, equações da hidrodinâmica são utilizadas. Tais descrições a níveldo contínuo são convenientes para tratar o movimento do fluido em sistemas confinados. No entanto, tais equações são válidas se os poros do material são muito maiores do que as moléculas das componentes do sistema. Uma outra abordagem consiste em usar descrições moleculares. Esses dois métodos que correspondem a diferentes níveis de descriçãosão complementares. A ligação entre eles pode ser elucidada usando um procedimento de mudança de escala onde são tomadas médias das leis microscópicas sobre as variáveis rápidas para se obter as leis macroscópicas para tempos longos. Apresentamos esta abordagem no caso de argilas. Primeiramente apresentamos em detalhes os vários níveis de descrição bem como as relações entre eles, enfatizando o domínio de validade das equações hidrodinâmicas. Em seguida, focamos no caso de argilas desidratadas onde a hidrodinâmica não é relevante. Mostramos que é possível derivar um modelo simples para o movimento dos íons césio baseado na diferença entre as escalas de tempo do solvente e das partículas do soluto.