I.C.Q.E.M.


Comitato Nazionale per la Scienza e le Tecnologie dell'Informazione

Progetto Coordinato Biennale 1994-1995
CONSUNTIVO DELL'ATTIVITÀ del 1995

TITOLO DEL PROGETTO

Interpretazione e validazione di modelli complessi mediante la visualizzazione

ALGORITMI AUTOMATIZZATI PER L'ANALISI DI RISULTATI COMPUTAZIONALI. TECNICHE DI STEERING

U.O. ICQEM - CNR Responsabile: Dr. Caterina Ghio

Collaboratori: Dr. Giuliano Alagona - Dr. Antonio Rizzo - Dr. Susanna Monti

G. Alagona, C. Ghio et al.
4-Diazinyl and Pyridinyl Imidazoles: Potent Angiotensin II Antagonists. Study of Their Activity and Computational Characterisation. J. Med. Chem. 38, 2925-2937 (1995)

Il paragone tra il potenziale elettrostatico (visualizzato sotto forma di mappe isopotenziali) nel piano molecolare, quale indice di riconoscimento ed interazione, prodotto da una serie di farmaci noti della classe dei 4-diazinil e 4-piridinilimidazoli ci ha permesso di evidenziare due caratteristiche comuni ai composti farmacologicamente più attivi rispetto a quelli meno attivi:
1) la quasi perfetta coplanarità dei due anelli eteroaromatici e
2) la presenza di lobi fortemente negativi nel potenziale vicino all'azoto sull'anello diazinico o piridinico e sull'azoto in posizione 1 sull'anello imidazolico.
Questo ci ha permesso di ipotizzare le caratteristiche che tutti i farmaci di questa classe dovrebbero presentare, sulla base delle quali abbiamo effettuato sostituzioni opportune sugli anelli per ottenere nuovi composti promettenti; tra le strutture così prodotte abbiamo selezionato quelle più soddisfacenti secondo i criteri suddetti. Alle successive prove biologiche i composti scelti si sono rilevati attivi: uno di loro è ben 4 ordini di grandezza più attivo dei farmaci attivi già noti della stessa classe, dimostrando il valore predittivo del potenziale elettrostatico molecolare per questi sistemi. Per effettuare questo studio abbiamo utilizzato alcuni degli algoritmi di visualizzazione ed analisi messi a punto durante l'attività dell'anno precedente. In questo caso il successo degli algoritmi, che purtroppo non sono facilmente generalizzabili, è derivato dal fatto che la grandezza di interesse (il potenziale elettrostatico), a causa della planarità e della simmetria del sistema, si sviluppava principalmente nel piano.
Da qui la semplicità del problema analitico, che si riduceva alla determinazione della distanza tra i centroidi dei lobi di potenziale negativo nel piano in vicinanza degli atomi di azoto ed alla valutazione dell'angolo di apertura del canale relativo verso l'esterno. Il nostro scopo finale era però quello di passare dalla visualizzazione delle proprietà ad un esame automatizzato delle forme che prescindesse dall'esame visivo del ricercatore. Infatti in molti casi le forme da paragonare sono centinaia, se non migliaia, per cui è di fondamentale importanza calcolare le proprietà su griglie e confrontare poi i risultati ottenuti.
Casi più complicati di questo, in cui cioè la grandezza di interesse abbia uno sviluppo generico nello spazio circostante le molecole (che possono a loro volta avere dimensioni notevolmente diverse e orientazioni dei gruppi attivi -non noti a priori- del tutto casuali) non sono stati ancora risolti in modo soddisfacente, per la difficoltà di trovare dei descrittori atti a permettere un paragone efficace.

G. Alagona, C. Ghio, V. Villani.
Studio Ab Initio del Comportamento Conformazionale del PIDOTIMOD, un Agente Immunostimolante Sintetico.
XXII QUITEL95, Pucón (Cile), p. 6, Sett. 25-29 (1995)

V. Villani, G. Alagona, C. Ghio.
Ab Initio Studies on the Thermodynamics of the Trans-Cis Isomerization of N-Methyl Acetamide.
G. Med CAT '95, Chia Laguna, Cagliari, p. 344-346, Sett. 12-16 (1995)

G. Alagona, C. Ghio, S. Monti.
Modeling of the Ligand Binding Site of the Neurokinin 2 (NK2) Receptor.
WATOC '96, Jerusalem (Israele), Luglio 7-12 (1996)

Lo studio delle proprietà conformazionali delle molecole è importante per determinare la geometria che esse assumono in date condizioni ambientali (in vacuo, in soluzione, nel campo di enzimi o recettori), e la differenza di energia esistente tra la conformazione più probabile e altre conformazioni di minimo locale. L'analisi conformazionale è oggetto di studi da parte di molti gruppi accademici e di "software houses", che cercano di trovare criteri certi di raggiungimento del minimo globale. Questo problema è inoltre strettamente collegato al "protein folding", che è rimasto finora insoluto nonostante la notevole mole di lavoro svolta nel mondo, anche con l'utilizzo di metodi di intelligenza artificiale. Non vi è comunque in ogni caso certezza che la conformazione di minimo globale sia quella attiva di farmaci, inibitori o altre sostanze, la cui azione dipende fortemente dalla geometria di avvicinamento (per il riconoscimento) e di interazione. Bisogna ricorrere pertanto ad informazioni di altro tipo, ottenute con spettroscopia a raggi X o NMR o con altri metodi. Non solo manca la sicurezza sulla struttura del ligando/inibitore/substrato, ma anche su quella del sito recettoriale o del sito attivo, anche se noto, in quanto entrambi possono subire delle deformazioni anche notevoli a causa della reciproca interazione. Questo problema ci si è presentato nella modellizzazione del sito recettoriale della neurochinina 2, in cui il canale della proteina di transmembrana si presentava del tutto ostruito dalla catena laterale di un residuo. Probabilmente all'avvicinarsi dell'antagonista o del ligando si determina una transizione conformazionale che libera il canale. Tale transizione però può avvenire in modi diversi a seconda di come si presenta il ligando: la sua orientazione dipende tuttavia dal potenziale che il sito attivo esercita su di lui. Si ottiene quindi un considerevole aiuto nella soluzione del problema dalla conoscenza almeno della reciproca orientazione dei gruppi interagenti. Questo permette di predisporre dei modelli adeguati. Abbiamo perciò utilizzato studi di questo tipo per valutare e aggiornare i metodi automatici che avevamo cominciato a sviluppare dopo la fase iniziale di faticosa, ma necessaria, standardizzazione delle uscite prodotte dai vari codici di calcolo comunemente usati nel nostro ambiente di ricerca (vedi Relazione 1994). I sistemi di prova utilizzati hanno un numero limitato di gradi di libertà per permetterci di valutare meglio la consistenza interna dei risultati ottenuti con gli algoritmi progettati. Partire da sistemi con un gran numero di gradi di libertà ci avrebbe infatti impedito una corretta analisi dei risultati ottenuti. Anche così però non abbiamo raggiunto la certezza che le tecniche di "steering" implementate riescano a raggiungere in modo efficace il minimo globale del sistema. I metodi di controllo impiegati sono stati di due tipi: "grid search" e Monte Carlo. Poiché i metodi di calcolo classici o semiempirici producono a volte minimi sensibilmente diversi da quelli ottenuti ab initio, solo il calcolo diretto dell'energia della struttura ottimizzata partendo dai valori dei diedri relativi, e considerando una griglia abbastanza fitta di valori per il terzo diedro, riesce a garantirci la correttezza del risultato ottenuto. Come alternativa a questo metodo "brute force" abbiamo implementato un algoritmo di tipo Monte Carlo senza però averne potuto stabilire un criterio di convergenza univoco. Infatti le analisi statistiche effettuate o i criteri di convergenza scelti non ci hanno permesso di escludere dal calcolo alcuni dei minimi locali o di suggerire altri valori di partenza per l'esplorazione della superficie dell'energia potenziale.
In conclusione quindi, mentre possiamo dirci soddisfatti dei risultati raggiunti con la visualizzazione, che era il nostro obiettivo principale, non possiamo ritenere altrettanto positiva l'analisi automatica implementata di serie di risultati che avrebbe dovuto portare anche a decisioni di come procedere nelle fasi di calcolo successive.