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Tipo: Dissertação
Título: Desenvolvimento de um protocolo de simulação por dinâmica molecular para avaliação estrutural e energética de variantes da l-asparaginase humana
Título em inglês: Development of a molecular dynamics simulation protocol for structural evaluation and energy variants of human l-asparaginase.
Autor(es): Silva, Juliana Meneses de Sena
Orientador: Lourenzoni, Marcos Roberto
Coorientador: Guimarães, Ana Virginia Frota
Palavras-chave em português: hASNase1;Dinâmica molecular;Leucemia linfoblástica aguda;Energia livre de ligação
Palavras-chave em inglês: hASNase1;Molecular dynamics;Acute lymphoblastic leukemia;Binding free energy
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS
Data do documento: 2025
Citação: SILVA, Juliana Meneses de Sena. Desenvolvimento de um protocolo de simulação por dinâmica molecular para avaliação estrutural e energética de variantes da l-asparaginase humana. 2026. 84 f. Dissertação (Mestrado em Biotecnologia de Recursos Naturais) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A L-asparaginase é uma enzima amplamente empregada no tratamento da leucemia linfoblástica aguda (LLA), devido à sua capacidade de degradar a L-asparagina (Asn), essencial para a sobrevivência de células leucêmicas. No entanto, as formulações disponíveis são derivadas de fontes bacterianas e frequentemente associadas a reações imunológicas severas. Embora o organismo humano possua uma enzima homóloga, a hASNase1, sua baixa atividade catalítica inviabiliza sua aplicação clínica direta. Para contornar essa limitação, mutações vêm sendo propostas com o objetivo de aumentar sua eficiência. Este trabalho teve como objetivo desenvolver um protocolo computacional, baseado em simulações de dinâmica molecular e análises estruturais, para avaliar os efeitos estruturais e energéticos de variantes da hASNase1, identificando características moleculares associadas ao aumento de atividade catalítica. Os sistemas foram construídos com base na estrutura nativa da enzima e simulados em condições fisiológicas. A estabilidade estrutural foi avaliada por meio do desvio quadrático médio (RMSD), enquanto o potencial de interação interatômico (PII) e cálculos de energia livre de ligação foram utilizados para analisar as interações entre as variantes da hASNAse1 e a Asn. Cálculos MM/PBSA indicaram afinidades de ligação crescentes na ordem D87S < D84N < A186V < D87N, consistentes com o tempo de residência do substrato no sítio catalítico. Experimentalmente, observou-se aumento de atividade catalítica de 17× (D87S), 19× (D84N), 50× (A186V) e 52× (D87N) em relação à enzima selvagem, confirmando a eficácia do protocolo DM + MM/PBSA para predizer variantes de alto desempenho. Em conclusão, o protocolo de DM e MM/PBSA explicou os determinantes estruturais dos ganhos de atividade observados experimentalmente em variantes de hASNase1, apontando D87N e A186V como candidatas promissoras para uma L- asparaginase otimizada. O entendimento da relação entre estrutura e atividade catalítica em variantes da hASNase1 fortaleceu o uso de abordagens in sílico no desenvolvimento racional de biofármacos mais seguros e eficazes para o tratamento da LLA.
Abstract: L-asparaginase is an enzyme widely employed in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) due to its ability to degrade L-asparagine (Asn), which is essential for the survival of leukemic cells. However, currently available formulations are derived from bacterial sources and are often associated with severe immune reactions. Although the human body possesses a homologous enzyme, hASNase1, its low catalytic activity precludes its direct clinical application. To overcome this limitation, mutations have been proposed to enhance its catalytic efficiency. This study aimed to develop a computational protocol, based on molecular dynamics (MD) simulations and structural analyses, to evaluate the structural and energetic effects of hASNase1 variants and to identify molecular features associated with increased catalytic activity. The systems were built based on the native structure of the enzyme and simulated under physiological conditions. Structural stability was assessed through root mean square deviation (RMSD), while interatomic interaction potentials (PII) and binding free energy calculations were used to analyze the interactions between hASNase1 variants and Asn. MM/PBSA calculations revealed increasing binding affinities in the order D87S < D84N < A186V < D87N, consistent with substrate residence times in the catalytic site. Experimentally, catalytic activity increases of 17× (D87S), 19× (D84N), 50× (A186V), and 52× (D87N) were observed compared to the wild-type enzyme, confirming the effectiveness of the DM + MM/PBSA protocol in identifying high-performance variants. In conclusion, the DM and MM/PBSA protocol elucidated the structural determinants underlying the experimentally observed activity gains in hASNase1 variants, identifying D87N and A186V as promising candidates for an optimized human L-asparaginase. Understanding the relationship between structure and catalytic activity in hASNase1 variants reinforces the use of in silico approaches in the rational development of safer and more effective biopharmaceuticals for the treatment of ALL.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85499
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0001-5835-1108
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/5048172401839420
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0003-2989-6392
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/1350673719062370
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-1044-8824
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/5593617463699469
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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