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Docagem molecular com Autodock Vina e visualização com o Pymol

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Docagem molecular com Autodock Vina e visualização com o Pymol

Mensagem por Tanaami em 19/8/2016, 22:38

Olá!

Docagem molecular é um método que busca prever como uma molécula vai se acoplar a outra, para formar um complexo. Ela é muito útil quando estamos desenvolvendo um fármaco, para garantir que ele vai se ligar com eficiência à proteína alvo, ou ainda quando estamos projetando uma enzima, onde nós temos um substrato e queremos modificar uma enzima que irá agir naquele substrato, dentre outros usos. Neste tutorial iremos fazer a docagem de uma molécula pequena com uma proteína, e em seguida iremos visualizar as várias possíveis conformações que a molécula pode adquirir quando ligada à proteína. Dois softwares bons para isso são a Autodock Vina e o Pymol. Para preparar os arquivos também utilizaremos o Autodock Tools. Todos os softwares são open source. Esse tutorial é voltado para usuários do Windows, se você usa Linux, as coisas ficam beeeeem mais fáceis, pois tem um plugin pro Pymol que deixa tudo tranquilo! Mas isso irá ser outro tutorial, então aguardem!

Primeiramente fora Temer temos que saber que as moléculas não são rígidas. As ligações simples não impedem a ligação de girar (as duplas e triplas impedem), tornando a molécula uma entidade bem flexível. Por exemplo, tomemos a molécula abaixo, o butano (alguns hidrogênios foram omitidos, por razões didáticas e por que eu esqueci mesmo):

Como a ligação do meio é simples, a mesma molécula de butano pode ter outra conformação, pois esta ligação pode girar espacialmente:

Já esta outra molécula, o 2-buteno, possui uma ligação dupla. Esta ligação nunca vai girar, e portanto esta molécula é bem menos flexível:

Sabendo disso, já podemos começar a docar! Twisted Evil

Vi em um artigo que uma enzima retirada de uma bactéria do gênero Pseudomonas podia proteger a hidroxila 5' de certos nucleosideos, e isso pode ser útil para a síntese de DNA. Como já estou familiarizado com essas moléculas, vou usá-las como exemplo (está certo que essa enzima age nesse substrato em solventes orgânicos, mas para o tutorial, vou mostrar no solvente padrão do Vina mesmo).

Você vai precisar dos arquivos que contem a proteína (receptor) e o substrato (ligante). Geralmente você consegue esses arquivos em sites como o Protein Data Bank. Entre nesse link e se divirta um pouco, você pode pesquisar por organismo, função, taxonomia, simetria, nome, etc.

Baixe os arquivos PDB para o receptor (link) e para o ligante (link). O ligante é a nossa já conhecida deoxiAdenosina, componente do nosso DNA. Baixe a proteina em PDB e o ligante em SDF. Recomendo criar uma pasta chamada "Docagem" em C: e colocar todos os arquivos que iremos usar nela, pois isso facilitará muito nossa vida depois (iremos usar o prompt de comando).

Abra o Autodock Tools > File > Read molecule e abra a proteina (1oil.pdb). A proteina aparecerá, mas você pode notar que tem duas cadeias. Só usaremos uma delas, então primeiro selecionamos ela (veja imagem de como selecionar) e depois vamos em Edit > Delete > Delete selected atoms > Continue:



Agora ficamos só com a cadeia A. Agora vamos deletar a água de cristalização, que apesar de não fazer parte da proteína, está no arquivo. Para isso, vá em Edit > Delete Water. Em seguida, vamos adicionar os hidrogênios, que geralmente não vem no arquivo. Vá em Edit > Hydrogens > Add > Ok. Precisamos fazer isso porque é difícil tirar a água de cristalização na hora que é feita a cristalografia por raios-X, e os hidrogênios também não são detectados por esse método, apenas a cadeia principal da proteína (e a água Very Happy ).

Bom, o receptor está pronto. Agora precisamos preparar a grade. A grade é uma série de pontos onde o programa vai calcular potenciais, e ver se o ligante se "encaixará" de maneira favorável. Como a princípio não sabemos onde nosso ligante vai se encaixar, nós iremos fazer a grade cobrir a proteína inteira! Para isso, clique em Grid > Macromolecule > Choose > 1oil > Select Molecule. Aparecerá a tela abaixo se tudo der certo:



Em seguida aparecerá uma janela pra salvar um arquivo .pdbqt. Este arquivo é o receptor já preparado e pronto pra participar do docking! Salve ele.

Agora para ajustar a grade: Grid > Grid Box, coloque o Spacing (angstrom) = 1 (para o numero de pontos ficar igual ao numero de angstrom), e ajuste o tamanho e a posição de acordo com seu gosto. Os meus valores ficaram assim:

size_x = 54
size_y = 52
size_z = 40

center_x = -1.032
center_y = 0.47
center_z = 38.773

Salve esses valores, como mostrado no formato acima, no Bloco de notas com o nome conf.txt, na mesma pasta dos arquivos que estão sendo usados.

Infelizmente, o AD Tools não aceita o formato SDF, como veio o arquivo do ligante. Por isso, simplesmente vamos abrir o Pymol, Clicar em File > Open, e selecionar o arquivo 3D1_ideal.sdf. Em seguida, como o arquivo está pronto, com hidrogênios e tudo, simplesmente vamos em File > Save molecule > Ok > Salvar. Certifique-se de que a extensão está em .pdb!

Agora podemos abrir o ligante no AD Tools. Para isso, vá em Ligand > Input > Open e selecionamos o arquivo 3D1_ideal.pdb. Ele não vai aparecer de primeira, para isso coloque para exibir arquivos .pdb, como mostra a imagem abaixo:



Se tudo der certo, irá aparecer a seguinte tela (podemos ver a adenosina no fundo também, ao lado da proteína!):



Clique em Ok na mensagem. Agora, lembra que eu te falei que o ligante era flexível e tal? Então, você poderá aplicar aqui. Clique em Ligand > Torsion Tree > Detect Root (necessário). Isso é só para o programa detectar por onde começar a contar as torções (pelo que eu entendo). Agora para ver que ligações são rotacionáveis e que ligações não são, clique em Ligand > Torsion Tree > Choose Torsions. Irá abrir uma janela que permite que você escolha que ligações poderão girar e que ligações serão rígidas. O ligante também mudará de cor: as ligações verdes poderão girar, e as vermelhas, não. Se vc quiser transformar uma ligação que pode girar em rígida, ela ficará rosa. Quando terminar, clique em Done:
(escondi a proteína na imagem, e dei um zoom no ligante, para ficar mais claro. Aliás, para dar zoom é shift+clique do botão do meio)



Em seguida, vá em Ligand > Output > Save as PDBQT e salve. Agora o receptor, o ligante e a grade já estão prontos, e é só fazer o docking!

Abra aquele arquivo conf.txt que vc fez, e deixe ele nesse formato, substituindo pelos valores que vc está usando:

receptor = 1oil.pdbqt
ligand = 3D1_ideal.pdbqt

out = conformacoes.pdbqt

size_x = 54
size_y = 52
size_z = 40

center_x = -1.032
center_y = 0.47
center_z = 38.773

exhaustiveness = 15

Out é o arquivo resultante, exhaustiveness é o quanto o programa vai se "esforçar". Se você quiser, pode usar também o num_modes, que determinará quantos acoplamentos o programa vai achar. Depois de editar ao seu gosto, salve.

Agora, abra o prompt de comando do windows (aperte windows+R e digite cmd), digite cd "c:/Docagem",  e em seguida rode a seguinte linha de comando (se o AD Vina estiver instalado em um lugar diferente, mude):
"C:\Program Files (x86)\The Scripps Research Institute\Vina\vina.exe" --config conf.txt --log relatorio.txt.
Pronto! Agora deverá aparecer uma tela assim:



Se apareceu isso, deu certo!!! cheers Agora é só visualizar os resultados!  geek

Para isso, vamos abrir o Pymol, clicar em File > Open, e selecionar os arquivos 1oil.pdbqt e conformacoes.pdbqt (novamente, o programa não vai exibir os arquivos com esta extensão, e você deverá mudar para "all files", como no terceiro print deste tutorial).
Tanto a proteína quanto o ligante estão sendo exibidos. Para a visualização ficar melhor, clique no "H" (de "Hide") > Everything, do lado do "All", como na imagem abaixo, e S > Surface para a proteína, e S > Sticks para as conformacoes..  Se você usar as setas direita e esquerda do teclado, verá as diferentes configurações que o ligante pode adquirir. Elas estão em ordem decrescente de afinidade, então a primeira é a mais favorável energeticamente.



Infelizmente, como o meu Pymol é versão educacional e não paguei por ele, não posso postar as fotos lindas que mostram a proteina com o ligante acoplados Crying or Very sad Crying or Very sad Crying or Very sad ... Mas estou disponibilizando os arquivos, junto com a sessão salva do Pymol, que mostra tudo prontinho! Laughing (O arquivo da sessão é o Finalizado.pse)

Espero que eu tenha ajudado alguém, e por favor, deixem suas críticas e dúvidas para podermos melhorar!
Anexos
Docagem.zip Você não tem permissão para fazer download dos arquivos anexados.(330 Kb) Baixado 2 vez(es)

Tanaami
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Re: Docagem molecular com Autodock Vina e visualização com o Pymol

Mensagem por JesusAntonio em 24/8/2016, 19:12

Muchas gracias por la información, es un gusto leer tus publicaciones Smile

A configuração energeticamente mais favorável é o "modo 1" porque tem a energia de afinidade (Kcal/mol) mais baixa, mas ela esta associada a uma variação de entropia. É possível observar isso no Pymol? e, no relatório, que indica na tabela os valores das duas ultimas colunas?

Gracias por la ayuda

JesusAntonio

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Re: Docagem molecular com Autodock Vina e visualização com o Pymol

Mensagem por Tanaami em 25/8/2016, 21:17

Hola Jesús! Mi cerebro está lleno de serotonina en saber que alguien está leyendo lo que escribo, y estoy ayudando a alguien! Gracias!
Não sou a pessoa mais capacitada para te responder isso, mas pelo que pesquisei, o Vina não calcula a entropia separadamente, ela está embutida na scoring function. Também não achei nada no pymol sobre isso, nem em plugins. Talvez estes links possam te ajudar:
http://mgl.scripps.edu/forum/viewtopic.php?f=12&t=881
http://link.springer.com/article/10.1007/s10822-010-9395-8 (principalmente as referencias 28, 30 e 32)
Infelizmente, o artigo sobre a scoring function do vina ainda não saiu, e no artigo sobre o vina não diz nada sobre a entropia. O vina usa um modelo semi-empirico, então é provavel que ele não calcule ela diretamente (eu acho).
Vou procurar saber mais...

Tanaami
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Re: Docagem molecular com Autodock Vina e visualização com o Pymol

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