Tese de Doutorado #335 – Erik de Oliveira Martins 15/03/2018

Desenvolvimento de modelos mesoscópicos assimétricos para oligonucleotídeos e sua aplicação a defeitos tipo single-bulges em RNA

Autor: Erik de Oliveira Martins

Banca Examinadora

Prof. Ubirajara Agero Batista

DF/UFMG

Profa. Simone Silva Alexandre

DF/UFMG

Prof. Jorge Chahine

DF/UNESP

Profa. Rita Maria Cunha de Almeida

IF/UFRGS

Orientação

Gerald Weber

DF/UFMG

Resumo do Trabalho

Moléculas de RNA formam diversas estruturas terciárias complexas devido as funções biológicas a que são submetidas. O entendimento de estruturas de RNA não-canônicos como despareamentos, protuberâncias, bases triplas, laços internos, hairpins e pseudo-nós, vem crescendo devido a seus papéis biológicos em que são submetidas e as amplitudes de movimento realizadas. Em particular, estruturas contendo protuberâncias (bulges) tem sido importantes em interações RNA-RNA, RNA ligantes e também são sítios específicos para as ligações de proteínas. Diversos modelos físicos estão sendo utilizados nesse tipo de estudo, e modelos mesoscópicos vem sendo uma alternativa eficiente no estudo de fitas duplas (duplexos) de DNA e RNA. O modelo mesoscópico mais utilizado no estudo de estruturas de RNA não canônicos é o modelo de primeiros vizinhos (NN). Entretanto apesar da quantidade de trabalhos publicados utilizando o modelo NN, o modelo não consegue fazer uma ligação física das energias termodinâmicas calculadas com as propriedades estruturais que essas moléculas assumem. Um caminho alternativo na escala mesoscópica de estudo é o uso do modelo Peyrard-Bishop (PB). O modelo PB consegue descrever de forma intuitiva as interações contidas em duplexos. Ao longo dos últimos anos, variações do modelo PB tem sido utilizados em diversas aplicações físicas e alcançado resultados importantes no estudo das propriedades termodinâmicas de duplexos canônicos. Entretanto, o mesmo não foi aplicado a estruturas assimétricas antes. Neste trabalho, mostramos que é possível o uso do modelo Peyrard-Bishop no estudo de estruturas assimétricas para DNA e RNA com protuberâncias de uma base (single-bulges). Na primeira parte do trabalho, adaptamos a Hamiltoniana do modelo PB de forma que ela descreva o empilhamento (stacking) para diferentes monômeros. Mostramos que através de um tratamento algébrico adequado que o modelo Peyrard-Bishop com empilhamento harmônico descreve estruturas assimétricas com uma constante elástica efetiva, de natureza similar a de um oscilador harmônico com molas em série. A função de partição para esse sistema também pode ser resolvida numericamente pela técnica de integral de transferência (IT). Buscamos o mesmo tratamento para o potencial com empilhamento anarmônico. Nesse caso, chegamos a uma equação de Fredholm de segunda ordem, que torna o método IT impraticável. Para a solução da equação de Fredholm de segunda ordem, sugerimos o uso de blocos de funções de pulso (2D-BPFs) e as aplicamos ao modelo Peyrard-Bishop em um polímero de DNA contendo somente pares de base CG. Em seguida, aplicamos com sucesso o resultado da assimetria com potenciais harmônicos para o estudo de single-bulges do Grupo I em moléculas de RNA. Para isso, criamos uma pseudo-base para denotar a posição do bulge na duplexo na fita oposta e dividimos as interações locais próximas ao bulge em subgrupos. Os parâmetros do modelo PB pertencente a cada subgrupo foram calculados através de uma minimização entre as temperaturas preditas e experimentais. Para uma melhor compreensão dos resultados, estudamos os perfis de aberturas de sequências experimentais já medidas por ressonância magnética nuclear (NMR) na literatura. Nossos resultados mostraram uma forte pertubação para bulges guanosinas. Os cálculos feitos para as sequências experimentais contendo single-bulges adenosinas e uridinas estão em acordo com medidas de NMR. Como no caso experimental, notamos uma certa preferência de bulges uridinas possuírem a configuração para fora da hélice (flipped out). Os resultados encontrados aqui no estudo de bulges demonstram a correlação entre propriedades termodinâmicas e propriedades estruturais físicas.