Pivot-SAXS: desenvolvimento de uma nova metodologia para caracterização estrutural e conformacional de macromoléculas combinando SAXS e simulações computacionais

Abstract

A comunidade científica já se utiliza da combinação de técnicas experimentais e computacionais em suas investigações, especialmente para sistemas biológicos complexos devido à dinâmica das macromoléculas em solução e mudanças conformacionais. No entanto, a predição da estrutura de moléculas biológicas em solução é um problema desafiador para teóricos e experimentalistas, dada a falta de técnicas disponíveis para observar esses sistemas. O espalhamento de raios-X de baixo ângulo (SAXS) é uma técnica experimental que fornece informações quantitativas, como raio de giro e distância entre pares, mas não informações estruturais precisas. No entanto, combinado com uma técnica computacional, SAXS já é capaz de analisar estruturalmente estes sistemas gerando o "envelope", por exemplo. Assim, foi desenvolvido o programa Pivot-SAXS para ampliar as possibilidades de estudos conformacionais. O programa usa uma estrutura inicial e informações de estrutura secundária para criar um potencial baseado em um fator de esfera rígida, que proíbe choques estéricos e minimiza o espaço conformacional. O programa gera novas conformações usando um algoritmo de pivot e avalia a similaridade entre as curvas de espalhamento teórica e experimental, completando o potencial usando o critério de Metropolis. O código está disponível em Github. Os resultados obtidos pelo Pivot-SAXS foram satisfatórios e congruentes com outras metodologias, o que indica sua aplicabilidade em estudos futuros.

The scientific community widely recognizes the importance of combining experimental and computational techniques, especially in complex biological systems due to the dynamic behavior of macromolecules in solution and conformational changes. However, predicting the structure of biological molecules in solution has been a challenging problem for both experimentalists and theoreticians, and there are only a limited number of techniques available to observe these system variations. Small Angle X-ray Scattering (SAXS) is a low-resolution experiment that provides only quantitative information, such as the gyration radius and pair distance. Nevertheless, SAXS can address these systems by providing the "envelope"of the protein. When combined with computational techniques, it becomes a powerful tool for characterizing macromolecules in solution.To address this problem, we developed the Pivot-SAXS software for theoretical protein structure prediction and conformational analysis. The program uses an input conformation to model the molecule and considers information from the secondary structure to build a potential based on a hard-sphere factor to forbid steric clashes and minimize the conformational space. New conformations are generated using a pivot algorithm, and they are assessed by a potential factor that calculates the similarity between the theoretical scattering curve and the experimental profile. This process is completed by evaluating the potential using the Metropolis criteria. It is possible to access the code on Github. The software has achieved satisfactory and coherent results with other methodologies, indicating its potential for future studies.