• acque strutturali
• anticorpi
• dinamica molecolare
• docking
• protein design

Questo lavoro di tesi è stato svolto presso il laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore nell'ambito della biofisica computazionale con particolare riferimento allo studio delle interazioni tra proteine, con la finalità di sviluppare un algoritmo per la progettazione di anticorpi specifici per un dato determinante antigenico.

La comprensione di struttura e funzione delle proteine unita alla possibilità di influenzarne l'interazione a livello molecolare rappresenta una grande sfida per la comunità scientifica, motivata anche dalle applicazioni nel drug design e nelle nanobiotecnologie che un controllo efficace sui meccanismi biochimici permetterebbe. Proprio in vista delle applicazioni gli anticorpi hanno grandi potenzialità: si tratta infatti di proteine in grado di legare con elevata affinità una grande quantità di molecole, pur condividendo una struttura di base molto ben conservata. I metodi di immunizzazione animale volti ad ottenere anticorpi specifici per un dato antigene presentano tuttavia molti difetti, tra cui l'impossibilità di scegliere a priori il determinante antigenico specifico; anche per questo un metodo teorico per la progettazione di anticorpi è un obiettivo importante.

Recenti risultati sullo studio delle complementarity determining region degli anticorpi hanno mostrato che la struttura geometrica di tali regioni assume solo poche possibili conformazioni, in larga parte indipendenti dalla particolare sequenza amminoacidica; ciò potrebbe permettere di suddividere il complesso problema del design di anticorpi in due fasi: si determina dapprima la struttura geometrica di tali regioni e solo in seguito la sequenza completa.

In questa tesi ci siamo concentrati sul primo passo, e in particolare il lavoro di tesi è stato dedicato alla progettazione, realizzazione e test di un algoritmo computazionale per la predizione della struttura geometrica delle regioni ipervariabili di anticorpi con elevata affinità per un antigene dato.

A tale scopo sono stati analizzati gli studi riguardanti le forme geometriche conservate (le strutture canoniche) degli anticorpi, e si è realizzato su base combinatoriale un database di regioni di complementarietà. Sono stati poi studiati gli algoritmi di protein-protein docking presenti in letteratura al fine di determinarne uno adatto ai nostri scopi. L'algoritmo scelto è stato modificato e implementato prestando particolare attenzione al ruolo delle molecole del solvente nell'interazione proteina-proteina, valutato tramite l'impiego di simulazioni di dinamica molecolare.
L'algoritmo è stato infine utilizzato per predire la combinazione di strutture canoniche che massimizza l'affinità per un dato antigene, ed il tutto è stato testato tramite un confronto con complessi noti.

La prima parte dell'elaborato finale è dedicata all'introduzione di concetti fondamentali sulla struttura delle proteine, sul funzionamento del sistema immunitario e su concetti di protein design, che non fanno in genere parte della formazione di un fisico.

La seconda parte si concentra sull'esposizione dei metodi computazionali per la simulazione delle proteine (dinamica molecolare), la valutazione del ruolo delle acque strutturali nell'interazione proteina-proteina e la determinazione delle loro interazioni (docking). Questa sezione ha il duplice scopo di approfondire i fondamenti teorici dei metodi impiegati nella tesi e di presentare il nostro percorso di valutazione e scelta dell'algoritmo di docking più adatto per lo studio dell'interazione anticorpo-antigene.

La terza parte presenta le modifiche da noi effettuate sull'algoritmo e la sua implementazione, lo studio del ruolo delle acque strutturali per l'antigene, lo sviluppo del database combinatoriale di anticorpi e infine l'implementazione del metodo completo e la sua validazione.