Por que bioinformática?
Determinar a forma (conformação) e função de biomoléculas, especialmente proteínas, experimentalmente é um desafio de fronteira científica. Embora a cristalografia de raios-X permita a obtenção de proteínas a resolução de 2Å (angstrom ou 0,1 nanômetro), as imagens obtidas ainda são estáticas e exigem procedimento custoso nem sempre tangível. Outra técnica experimental é a Ressonância Eletromagnética Nuclear (RMN), essa permite a observação de estruturas ainda in vivo, porém, ainda se trata de um método custoso e limitado pelo peso molecular do analito alvo.
Com isso, a redução do custo computacional de cálculos complexos confere uma nova gama de possibilidades para o estudo de moléculas complexas in silico. O termo bioinformática, trata da aplicação de técnicas computacionais à aquisição, armazenamento, análise e disseminação de dados biológicos (definição de acordo com National Human Genome Research Institute).
Os primeiros métodos de bioinformática voltados para a determinação de estruturas tridimensionais de proteínas podem ser classificados em três tipos: (1) Modelagem Comparativa, (2) Predição de enovelamento (ou threading), (3) Primeiros princípios (ou ab initio). Atualmente essa divisão é feita em duas categorias: (1) Template Free e (2) Template Based.
Algumas técnicas comuns de determinação do modelo tridimensional de biomoléculas
A Modelagem Comparativa e a Predição de Enovelamento são técnicas baseadas na existência de uma molécula modelo (Template Based), isto é, uma molécula com estrutura determinada experimentalmente, com estrutura, função e composição semelhante à molécula alvo de estudo.
Para Modelagem Comparativa, deve-se buscar modelos semelhantes à molécula de interesse em Bancos de Dados e a conformação da molécula será determinada por similaridade com os modelos. A técnica de threading é especialmente útil quando não há proteínas semelhantes o bastante para realizar Modelagem Comparativa com a proteína alvo. Este método (threading) baseia-se na ideia de que existe um limite para os enovelamentos possíveis nas proteínas e que, portanto, mesmo proteínas diferentes podem enovelar-se de forma semelhante.
Assim, compara-se a sequência alvo com as sequências modelo de acordo com o tipo de interação intermolecular esperada entre os resíduos de aminoácidos da proteína, àquela que tiver maior semelhança nas interações com a proteína alvo servirá de modelo.
A técnica de Primeiros Princípios ou ab initio é uma técnica que independe de proteínas modelo disponíveis (Template Free), pautada na ideia de que todo o enovelamento da proteína depende apenas de sua composição atômica e substrato nativo. Assim, esse método depende de funções que descrevem a energia do sistema de acordo com a física, sem a utilização de métodos estatísticos.
Embora seja promissora, a técnica ab initio tem um alto custo computacional e ainda é um grande desafio da bioinformática. Outra técnica Template Free é chamada De Novo. Esta é pautada na relação entre sequências de aminoácidos e estrutura secundária formada. Assim, o Banco de Dados de Proteínas é vasculhado para determinar uma biblioteca de fragmentos que possam descrever diferentes fragmentos de sequência da proteína alvo. A partir desta biblioteca é possível determinar as estruturas secundárias da proteína alvo e então sua conformação.
Aplicações
A bioinformática e a modelagem tridimensional de biomoléculas pode ser útil para uma grande diversidade de campos de estudo dependendo da acurácia dos modelos utilizados e gerados.
A partir do entendimento da estrutura de proteínas é possível predizer sua atividade catalítica ou função estrutural; é possível planejar fármacos para atividades específicas em determinada biomolécula; é possível determinar outras conformações de uma proteína por dinâmica molecular; simular interações entre proteínas; refinar estruturas resolvidas por cristalografia de raios-X ou por RMN são algumas das possíveis aplicações.
Técnicas de bioinformática foram utilizadas por um grupo em 2022 para fazer melhorias catalíticas e de resistência térmica em uma proteína responsável por degradar politereftalato de etileno (PET). Outras técnicas de modelagem são desenvolvidas e testadas todos os anos e as mais relevantes são discutidas bianualmente no Critical Assessment of protein Structure Prediction (CASP), tornando os métodos cada vez mais precisos.
Referências Bibliográficas:
National Human Genome Research Institute, Bioinformatics, 24 de abril de 2024. Disponível em: <https://www.genome.gov/genetics-glossary/Bioinformatics>. Acesso em: 27 de abril de 2024;
Santana, K.; Nahum, C. Métodos de modelagem da estrutura tridimensional de proteínas: Um guia teórico e prático. Ponta Grossa – PR: Atena Editora, 2022;
Verli, H. Bioinformática: da Biologia à Flexibilidade Molecular. 1 ed. São Paulo: SBBq, 2014.