• dinamica molecolare
• modelli coarse grained
• proteasi HIV

La proteasi del virus HIV-1 è una proteasi aspartica attiva come un omodimero simmetrico, formata cioè da due monomeri uguali aventi una lunghezza di 99 amminoacidi. Questo enzima svolge un ruolo fondamentale nella fase finale del processo di maturazione del virione di HIV tagliando tramite idrolisi del legame peptidico, le poliproteine Gag e Gag-Pol in elementi funzionali costitutivi del virione infettivo. L'inibizione di questo processo produce virioni non infettivi, ed è tutt'ora considerata una delle migliori strategie contro l'AIDS.
In questo lavoro di Tesi si studia la dinamica molecolare del processo di azione della proteasi sulla Gag, allo scopo di individuarne possibili strategie inibitorie. Il complesso Gag-proteasi è relativamente grande su scala atomica, comprendendo due proteine ciascuna composta da diversi domini. La Gag, infatti, pure essendo costituita da un'unica catena polipeptidica, è strutturata in domini relativamente rigidi, collegati da parti destrutturate e flessibili, di solito contenenti i siti di taglio che la proteasi riconosce.
Inoltre, è noto da dati sperimentali di varia natura che il processo di apertura del sito attivo della proteasi ed aggancio alla Gag avviene su scale dell'ordine del micro-millisecondo. La combinazione di grandi dimensioni spaziali e scale temporali lunghe rende il problema difficilmente affrontabile con metodi di dinamica molecolare classica al livello atomistico. Si è pertanto usato un modello a bassa risoluzione, precisamente al livello di un singolo centro interattivo per amminoacido. Questo riduce notevolmente il numero di gradi di libertà interni rendendo possibile la simulazione del processo con risorse computazionali modeste.
La proteasi idrolizza la Gag in diversi punti, generando così diverse proteine del nuovo virione. Questo lavoro si focalizza su uno specifico sito di taglio, quello tra i domini MA e CA, che genera una proteina costitutiva del capside del nuovo virione, ed è quindi un passo essenziale della maturazione del virus. La scelta dello specifico sito di taglio è stata operata dopo un'analisi statistica dei possibili siti di taglio che è interessante di per
sé perché dà informazioni sui meccanismi di riconoscimento e specificità della proteasi dell'HIV.
Per la proteasi, si è utilizzato un modello precedente esistente in letteratura, che mostrava di riprodurre correttamente la dinamica e la statistica di apertura e chiusura del sito attivo. Per la Gag e per le interazioni proteasi-Gag, invece si è costruito de novo un modello compatibile con quello della proteasi. Nel modello della Gag sono stati incorporati i dati strutturali disponibili, sia da cristallografia a raggi X che NMR. Il modello di Gag è stato validato con simulazioni della Gag isolata, che mostrano riprodurre la flessibilità attesa della proteina, grazie all'utilizzo di forme funzionali non standard ed una accurata parametrizzazione.
I modelli di Gag e proteasi sono stati poi accoppiati per simulare la dinamica di aggancio della proteasi alla Gag. Questa è la prima simulazione di questo genere in cui l'intero dominio di interesse della Gag viene incluso, e rivela alcuni dettagli molecolari della dinamica di apertura del sito, del riconoscimento della sequenza di taglio. L'analisi delle simulazioni rivela il ruolo della flessibilità della Gag nel processo e dà indicazioni su possibili strategie di inibizione.
Questo modello apre ad un elevato numero di possibili sviluppi. Da una parte, si potrà simulare una porzione macroscopica realistica del virus, disponendo le Gag in un reticolo esagonale nel modo in cui si trovano all'interno del virione e introducendo nella simulazione un numero statisticamente sufficiente di proteasi. Questo comporta solamente aumentare il numero di molecole presenti nel sistema attuale, lasciando invariato il modello, ed è numericamente realizzabile su sistemi di calcolo anche modestamente paralleli. Questa sarebbe la prima simulazione dinamica su scala macroscopica dell'interno del virus di HIV.
Dal punto di vista biochimico, le simulazioni rivelano alcune strategie inibitorie di tipo allosterico, evidenziando alcuni siti interessanti da considerare come bersagli per la progettazione di farmaci anti-AIDS. Questo apre la strada verso strategie chemioterapeutiche alternative, possibilmente più selettive e quindi meno tossiche al livello sistemico.