Análise estrutural de proteínas utilizando elementos finitos

Abstract

Quando a mecânica dos sólidos se depara com estruturas orgânicas e com dimensões próximas de ligações químicas, as hipóteses da mecânica do contínuo não se aplicam e a interação com diferentes áreas de conhecimento é inevitável para compreender seu comportamento estrutural. As proteínas podem ser compreendidas como estruturas dinâmicas, sendo sua flexibilidade e sua vibração fundamentais para compreender seus complexos mecanismos de ação e atividade biológica. Este trabalho busca avaliar a estrutura de uma proteína, construída através de suas ligações químicas de forma semelhante a uma estrutura unifilar, utilizando simulações de elementos finitos e rotinas de otimização para verificar a viabilidade das técnicas de mecânica dos sólidos. São realizados simulações na proteína Lisozima em três diferentes estados de conformação (códigos do PDB: 1DPX, 1DPW e 4YM8) onde a análise modal é realizada para investigar a dinâmica de cada estado. Os resultados são comparados utilizando a correlação de Pearson entre os resultados da simulação e o fator de temperatura, obtido experimentalmente para cada átomo. A aplicação de ferramentas de otimização utilizando o fator de temperatura para definir a rigidez dos elementos aumentou a correlação com dados experimentais. O método trás aceitável correlação com baixo custo computacional, havendo margem para melhorias e trabalhos futuros, indicando a viabilidade desta técnica.

When the mechanics of solids are faced with organic structures and with dimensions close to chemical bonds, the hypotheses of the mechanics of the continuum do not apply and interaction with different areas of knowledge is inevitable to understand their structural behavior. Proteins can be understood as dynamic structures, their flexibility and vibration being fundamental to understand their complex mechanisms of action and biological activity. This work seeks to evaluate the structure of a protein, built through its chemical bonds in a similar way to a truss structure, using finite element simulations and optimization routines to verify the feasibility of using solid mechanics techniques. Simulations are carried out on the lysozyme protein in three different conformation states (PDB codes: 1DPX, 1DPW and 4YM8) where the modal analysis is performed to investigate the dynamics of each state. The results are compared using Pearson's correlation between the results of the simulation and the temperature factor, obtained experimentally for each atom. The application of optimization tools using the temperature factor to define the stiffness of the elements increased the correlation with experimental data. The method brings an acceptable correlation with low computational cost, with room for improvement and future work, indicating the feasibility of this technique.