Dinâmica molecular dirigida aplicada ao estudo de desenovelamento de um aptâmero de RNA

Abstract

Neste trabalho foi aplicada a técnica de simulação por dinâmica molecular dirigida com solvente implícito, de forma a estudar o processo de desnaturação de um aptâmero de RNA de fita dupla e de dois complexos com as moléculas de estreptomicina e bluensomicina. De forma a modelar o solvente, as equações de movimento das partículas foram modeladas segundo uma dinâmica de Langevin, como valor da constante de fricção 𝛾 sendo calibrado contra simulações por dinâmica molecular de equilíbrio. A dinâmica molecular dirigida foi realizada se aplicando um potencial harmônico entre o átomo O5’ do resíduo C101 e um átomo virtual móvel. O átomo O5’ do resíduo G1 foi mantido fixo pela aplicação de um potencial de restrição. Os parâmetros do potencial harmônico foram calibrados de forma que a curva de força-extensão gerada fosse a mais suave possível. O valor ajustado para a constante de força do potêncial harmônico aplicado foi de 𝑘 = 200,0 kJ mol (−1) nm (−2) e a velocidade de afastamento entre os átomos foi de 𝑣 = 0,05 nm ps (−1). As simulações de Dinâmica Molecular Dirigida, DMD, (500 réplicas por sistema) mostraram que o processo de desnaturação da molécula de RNA por aplicação de força acontece de maneira hierárquica. A aplicação da identidade de Jarzynski aos perfis de força obtidos com as simulações de DMD mostraram que a diferença de energia livre (de não-equilíbrio) para a complexação das moléculas de estreptomicina e bluensomicina pelo RNA corresponde a -5,26 ± 0,15 kJ mol (−1) e +5,78 ± 0,34 kJ mol (−1), respectivamente. As simulações de DMD e a decomposição da energia livre em energia interna e entropia evidenciam o padrão de ligações de hidrogênio formadas pela molécula de estreptomicina com o sítio de ligação que conferem estabilidade ao sítio de ligação.

In this work we used steered molecular dynamics simulations with implicit solvent model in order to study the unfolding process of a double strand RNA aptamer and the complexes with streptomycin and bluensomycim. In order to model the solvent, the equations of motion of the particles were modelled following a Langevin dynamics, with a friction constant 𝛾 calibrated against equilibrium molecular dynamics simulations. The steered molecular dynamics simulations were carried out applying a harmonic potential between the O5’ atom of residue C101 and a virtual atom. The O5’ atom of residue G1 was restrained by a harmonic potential. The parameters of the harmonic potential were calibrated in such a way that the force-extension curve obtained was the most smooth as possible. The adjusted value for the force constant of the harmonic potential applied to move the O5’ atom of residue C101 was 𝑘 = 200.0 kJ mol (−1) nm (−2), and the pulling velocity constant between the atoms was 𝑣 = 0.05 nm ps (−1). The steered molecular simulations (500 independent runs) showed that the unfolding process of the RNA aptamer under application of external force occurs in a hierarchical way. The application of the Jarzynski’s equality to the force profiles obtained by steered dynamics simulations showed that the (nonequilibrium) free energy difference for the binding of the streptomycin and bluensomycin to the RNA aptamer is -5.26 ± 0.15 kJ mol (−1) and +5.78 ± 0.34 kJ mol (−1), respectively. The steered molecular dynamics simulations carried out and the free energy partitioning in internal energy and entropy showed that the pattern of hydrogen bonds between the streptomycin molecule and RNA aptamer make the binding pocket stable.