Título de proyecto: Estudios computacionales sobre la interacción de complejos metálicos que contienen derivados de phenanthrolina con G-cuadruplexos. Exploración in silico de diseño de fármacos para aplicaciones médicas.
Descripción del proyecto: La nanobiotecnología es un campo de investigación multidisciplinar emergente en donde confluyen la biotecnología y la nanociencia.[1] La nanobiotecnología realza pues conceptos como los nanodispositivos, nanopartículas y los fenómenos a nanoescala que ocurren dentro de la disciplina de la nanotecnología y los objetivos más importantes están relacionados en la aplicación de estas nanoherramientas a problemas médicos/biológicos.[1] En este proyecto pues, se aplicarán algunos de estos conceptos innovadores al diseño computacional de fármacos mejorados para terapias de cáncer que se basen en la interacción de complejos metálicos que contengan fenantrolina (phen) y derivados de fenantrolina con el ADN. Así pues, este proyecto tiene como objetivo la comprensión y racionalización a nivel de nanoescala de la interacción de estas especies bioactivas en procesos que incorporan ADN mediante técnicas computacionales.
Puesto que muchos ligandos planos incluidos en complejos metálicos son activos contra las células tumorales, éstos pueden ser usados en quimioterapia.[2] Estos ligandos interaccionan con las bases de los G-cuadruplexos y los estabilizan.[3-5] Cabe decir que los G-quadruplexos serían un tipo de estructuras alternativas de ADN funcionalmente importantes para la regulación del proceso de transcripción.[4] La acumulación de G-quadruplexos estabilizados puede inducir mecanismos para el estrés nulear en las células.[6] Focalizando en las células tumorales, la estabilización de los G-cuadruplexos con moléculas pequeñas inhibe la actividad de la telomerasa,[7] la cual es responsable de mantener la longitud de los telómeros y está implicada en alrededor del 85% de los cánceres. Dicha inhibición causa la apoptosis de las células cancerígenas.[7,8] Puesto que la telomerasa está sobreexpresada en la mayoría de las células tumorales malignas y en relativamente pocas células somáticas,[9] ésta es reconocida como potencial objetivo específico de la mayoría de tipos de cáncer.[10] Distintos estudios han mostrado que la phen y los derivados de phen interaccionan directamente con las bases de los G-cuadruplexos de forma que inhiben la actividad de la telomerasa.
También se han obtenido distintos complejos metálicos que incorporan phen y derivados de phen los cuales han demostrado estabilizar los G-cuadruplexos, de ahí exhibiendo citotoxicidad en las líneas de células tumorales.[11,12] Así pues, la comprensión y la racionalización a nivel nanoescala de la interacción entre complejos metálicos que contengan phen y derivados de phen con los G-quadruplexos resulta crucial a la hora de diseñar los fármacos más eficientes y el estudio de estos sistemas en que moléculas pequeñas interactúan con G-cuadruplexos es un tema candente y estimulante para el cual los estudios computacionales son todavía escasos en la literatura. En este Proyecto pues, llevaremos a cabo cálculos computacionales con diferentes técnicas y métodos (Docking, dinámica molecular, QM/MM, DFT-D, etc.) para estudiar la interacción entre los CCs y los G-cuadruplexos. Focalizaremos con phen y derivados de phen puesto que dichos complejos metálicos han sido ya sintetizados y han exhibido citotoxicidad en células tumorales [13] Por lo que sabemos, este sería el primer trabajo dirigido al estudio del rol de las diferentes contribuciones energéticas (Pauli, dispersión, electrostática, etc.) a la energía final de interacción en un sistema basado en un complejo metálico que contenga phen o derivados de phen y una estructura de G-cuadruplexo mediante el uso de métodos DFT-D que incluyen dispersión. Además, no se han encontrado estudios en la bibliografía que relacionen el efecto de la substitución en el ligando phen y/o los cambios en el metal con los cambios en la fortaleza de la interacción y la citotoxicidad.
Este Proyecto va dirigido a la aplicación de conceptos de la nanotecnología como los fenómenos a nivel de nanoescala a fin de solventar problemas médicos y biológicos mediante técnicas computacionales. Principalmente, se explorará y desarrollará una línea de investigación basada en la interacción de complejos metálicos que incorporen phen y derivados de phen con G-cuadruplexos.
Dado el interés en el uso de estos sistemas para terapias de cáncer, la comprensión y la racionalización de sus interacciones con ADN es crucial. Así pues, el Proyecto estará dedicado al estudio de la interacción de complejos metálicos que incorporen phen y derivados de phen con G-cuadruplexos de ADN. Se prestará una especial atención a racionalizar las propiedades observadas y sus correlaciones con cambios en el ligando (sustitución en número y posición de alguno de los hidrógenos de la phen por otros elementos o grupos: Cl, OH, CH3, NH3, O, Ph, etc.), así como también en el metal (usando Mo(II), V(IV), Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II), etc.).
Usaremos el complejo [Mo(C3H5)(CO)2Br(phen)] como sistema inicial puesto que se vio que exhibía una alta actividad antitumoral [13] así como alguna estructura cristalina de ADN que incluya G-cuadruplexos y que esté disponible en la literatura o en el Protein Data Bank (PDB). Puesto que la intercalación de complejos metálicos con G-cuadruplexos (interacción citotóxica) puede competir con otro modo de interacción llamado Groove binding (interacción no citotóxica), se harán estudios de docking (Autodock/Hex) y se llevarán a cabo simulaciones de dinámica molecular (GROMACS) para conocer los diferentes puntos, en la estructura cristalina, donde el complejo metálico puede interactuar. Después de esta búsqueda conformacional se llevarán a cabo optimizaciones de geometría usando QM/MM (Gaussian/SIESTA), métodos semiempíricos que tengan en cuenta la dispersión (SE-D): PM6-DH, PM6-DH2, PM6-DH4, PM7, etc. (MOPAC) y/o métodos DFT-D usando bases numéricas para acelerar el cálculo (SIESTA). Dichos métodos QM/MM, SE-D y DFT-D serán calibrados previamente con alguna estructura cristalina similar de referencia disponible en la literatura o en el PDB la cual incluya alguna molécula pequeña interaccionando con alguna estructura de G-cuadruplexo a fin de escoger el método más apropiado. A partir de las geometrías optimizadas, se harán cálculos puntuales para obtener el análisis de la descomposición de la energía (ADE). Se usarán para ello métodos (DFT-D) (ADF) puesto que se espera que las fuerzas de dispersión sean importantes. También se tendrán en cuenta los efectos del disolvente. Posteriormente, modificaremos la phen sustituyendo algunos de sus hidrógenos en número y posición con distintos grupos funcionales (CH3, OH, NH2, Ph, Cl, COOH, etc.) para vislumbrar la modulación de la interacción con la sustitución en la phen. Para tener en cuenta el efecto del metal, se generalizará a otros metales tales como V, Co, Ni, Cu y Zn en diferentes estados de oxidación. Como se dijo anteriormente, distintos trabajos han estudiado la interacción de moléculas pequeñas con G-cuadruplexos. No obstante, de acuerdo con nuestro conocimiento en este tema, este sería el primer trabajo, usando métodos DFT-D, dirigido a estudiar el rol de las diferentes contribuciones energéticas (repulsión de Pauli, dispersión, electrostática, etc.) a la energía final de interacción en un sistema basado en complejos metálicos que incorporen phen y derivados de phen y alguna estructura de G-cuadruplexo del ADN. Además, no se han encontrado estudios en la bibliografía dirigidos al efecto de la substitución en phen y/o los cambios en el metal con los cambios en la fortaleza de la interacción y eventualmente la citotoxicidad.
Deadline: 31/01/2018
Required degree: Grado química, grado de física, bioquímica o semejantes y tener 60 créditos de máster.
Required experience: Se valorará la experiencia en (bio)química computacional.
Required training: Se valorará la realización de los créditos de máster en el campo de la (bio)química computacional.
Characteristics of the positions: Beca para 3 años para realizar una tesis doctoral en el campo de la química teórica y (bio)computacional. La beca no es compatible con otras similares pero sí que lo es con becas para realizar eventuales estancias cortas en el extranjero dentro del proyecto. El horario es flexible. No obstante, la persona a la que se le conceda la beca deberá trabajar de manera exclusiva dentro del proyecto. Cualquier trabajo eventual fuera del proyecto deberá ser consultado con los supervisores. Se espera además una dedicación mínima de 35 horas semanales al trabajo que se desprende del proyecto.
Expected career plan: Durante los 3 años de beca se espera que el candidato desarrolle una tesis doctoral en el campo de la interacción de complejos metálicos con estructuras de G-cuadruplexos de ADN y como modular su eventual citotoxicidad mediante cambios en el ligando (phen) y el metal. Los objetivos del proyecto son la comprensión y racionalización de las intercacciones de complejos metálicos que incorporan phen y derivados de phen con G-cuadruplexos. Para llevar a cabo dicho estudio se usará un amplio abanico de técnicas computacionales así como diferentes tipos de software para que el estudiante adquiera los conocimientos necesarios para saber que tipo de técnica y metodología aplicar en función del problema a estudiar así como también que tipo de software puede usar. Durante el inicio del proyecto se calibrarán los diferentes métodos que se van a usar para el estudio de la interacción de complejos metálicos con G-cuadruplexos a partir de estructuras bien definidas que se puedan encontrar en la bibliografía o en el PDB. Una vez vistos los métodos que dan mejores resultados en el anterior apartado de calibración, se procederá a estudiar la interacción del complejo metálico [Mo(C3H5)(CO)2Br(phen)], del cual se ha comprobado su citotoxicidad en diferentes líneas de células tumorales, con estructuras de G-cuadruplexos. Finalmente en la última etapa del proyecto se abordará la comprensión y racionalización de los efectos de la substitución en phen y los cambios en el metal en la modulación de la interacción entre los complejos metálicos y los G-cuadruplexos. El candidato ganará pues experiencia en el uso de Docking, métodos semiempíricos y DFT que tengan en cuenta la dispersión, métodos QM/MM. Conocerá cuáles son los campos de fuerza apropiados para estos estudios QM/MM. También aprenderá que tipo de bases serán las mejores para utilizar para cada tipo de estudio así como también que pseudopotenciales puede usar en los cálculos. Cabe decir también que para los cálculos QM/MM se probarán diferentes tipos de modelos en los que la parte QM será menor o mayor y que importancia tiene escoger un modelo u otro en los resultados finales y en el tiempo de cálculo invertido. Por otro lado, también se harán estudios de dinámica molecular para ver como evoluciona el sistema a estudiar con el tiempo. Finalmente, dado que en muchos procesos biológicos es importante tener en cuenta el efecto del disolvente, se incluirá el disolvente tanto de manera implícita como explicita en función del tipo de cálculo a realizar. Todos estos cálculos, simulaciones y visualización de los resultados se realizarán con diferentes tipos de software: SIESTA, Gaussian, MOPAC, ADF, GROMACS, HEX, Molden, ArgusLab, VMD, etc.
Una vez realizado el proyecto y presentada la tesis doctoral el estudiante habrá conseguido conocer un amplio abanico de técnicas y métodos computacionales y habrá adquirido el conocimiento sobre cual, cuándo, cómo y por qué se va a usar una técnica o método computacional y no otro así como también cómo buscar y contrastar información científica sobre cualquier tópico, cómo redactar artículos científicos y como abordar un problema científico que se le plantee en el futuro.
Documentos necesarios: CV, cover letter y calificaciones del grado y los 60 créditos de máster.
