Predição da estrutura tridimensional de dissacarídeos utilizando um algoritmo de evolução diferencial adaptativo

Abstract

A estrutura tridimensional de uma molécula é de grande importância para o entendimento de suas propriedades, funções biológicas e interações com demais moléculas quando inserida em um sistema molecular mais complexo. Uma importante família de biomoléculas é a dos carboidratos. Estes desempenham diversas funções biológicas, como o armazenamento de energia, suporte estrutural para células, atuam como componentes em coenzimas e interagem com proteínas, afetando por sua vez seu enovelamento. A estrutura dos carboidratos, sobretudo daqueles de menor tamanho como os dissacarídeos, é de difícil determinação utilizando métodos experimentais, sendo uma melhor alternativa a utilização do método computacional de Dinâmica Molecular (DM). Contudo, tal método mostra-se computacionalmente custoso devido às inúmeras avaliações do campo de força e movimentações dos átomos necessárias para a simulação do sistema molecular. Tendo em vista a relação existente entre a minimização da energia potencial do sistema e uma maior estabilidade do mesmo, neste trabalho é realizada a modelagem apropriada do problema de predição da estrutura de dissacarídeos como um problema de otimização e então é utilizada uma meta-heurística baseada no algoritmo Success-History based Adaptive Differential Evolution (SHADE) para sua resolução. É utilizada como função objetivo para a meta-heurística a função de energia do campo de força GROMOS 53A6GLYC. Para a validação dos resultados alguns casos foram comparados com dados gerados via DM, apresentando diversas semelhanças na distribuição geral das preferências conformacionais. Contudo, algumas diferenças entre os resultados das técnicas puderam ser observadas, especialmente devido à natureza dinâmica das estruturas dos dissacarídeos e da presença de múltiplos mínimos locais de sua função de energia. A técnica se mostra uma interessante alternativa à DM, especialmente devido ao reduzido tempo de execução, mas requer ainda algumas modificações para obter melhores resultados.

The three-dimensional structure of a molecule is of great importance for understanding its properties, biological functions and interactions with other molecules when part of a more complex molecular system. The carbohydrates are an important family of biomolecules. They perform various biological functions, such as energy storage, structural support for cells, act as components in coenzymes and interact with proteins, which in turn affects their folding. The structure of carbohydrates, especially those of smaller size such as the disaccharides, is difficult to be determined using experimental methods, being a better alternative the use of the computational method of Molecular Dynamics (MD). However, such a method is computationally expensive due to the numerous force field evaluations and atom motions required to simulate the molecular system. In view of the relationship between the minimization of the potential energy of the system and its stability, this work presents the modeling of the disaccharide structure prediction problem as an optimization problem and then a metaheuristic based on the Success-History based Adaptive Differential Evolution (SHADE) algorithm is used for its resolution. The objective function used for the metaheuristic is the energy function of the force field GROMOS 53A6 GLYC. To validate the results, some cases were compared with data generated by MD, showing several similarities in the general distribution of conformational preferences. However, some differences between the results of the techniques could be observed, especially due to the dynamic nature of the disaccharide structures and the presence of multiple local minima of their energy function. The technique proves to be an interesting alternative to MD, especially due to the reduced runtime, but still requires some modifications to achieve better results.