Application of multiscale models on biological systems

Simulazioni biomolecolari multiscala permettono di capire i meccanismi cellulari di rilevanza biologica. Questi innovativi strumenti sono in grado di collegare le leggi della fisica con il complesso comportamento dei sistemi biologici. Il progresso delle risorse computazionali, combinate con lo sviluppo di potenti algoritmi per il calcolo parallelo, saranno sempre più fondamentali per avere una visione completa di grandi sistemi biologici. Questi progressi possono influenzare enormemente le scienze biologiche. In questa tesi, ho applicato approcci multiscala di biologia computazionale a diversi sistemi biologici utilizzando gli strumenti allo stato dell’arte della bioinformatica strutturale e strumenti di biofisica computazionale. In particolare, ho eseguito una vasta caratterizzazione computazionale del pathway di degradazione del dibenzotiofene (DBT) della Burkholderia fungorum DBT1, un ceppo batterico molto promettente nel campo bio-risanamento d’idrocarburi policiclici aromatici (IPA). Ho analizzato gli enzimi coinvolti in questo percorso la sequenza, strutturale e livello funzionale. Tutti i dati strutturali di sequenza analizzati e prodotti per questa tesi, insieme con i dati biochimici recuperati da una lunga ricerca in letteratura sono stati inclusi nel database PWPAHs che ho creato. Inoltre, ho lavorato nel campo della medicina molecolare computazionale. Infatti, nel capitolo 4 descrivo il lavoro svolto in collaborazione con il laboratorio di Medicina Interna dell'Università degli Studi di Verona, in cui, partendo da dati sperimentali inediti ho caratterizzato computazionalmente un Serin inibitore della proteasi (SPI), che agisce sulla Matriptase 2 (MT2), un importante regolatore dell’omeostasi del ferro umana. Poi ho portato a termine una dettagliata caratterizzazione strutturale e funzionale su due membri della famiglia enzima PLP-dipendente (capitolo 5). In particolare, ho usato simulazioni di dinamica molecolare classica per eseguire una ottimizzazione ligando profonda del ligando PLP-cistationina nella tasca catalitica della C-S liasi da Corynebacterium diphtheriae. Sono stato inoltre coinvolto nella creazione di un protocollo computazionale per analizzare la stabilità di peptici e tag molecolari utilizzati nel guidare l’enzima decarbossilasi (DDC) all’interno della barriera emato-encefalica, possibile strumento di cura per il morbo di Parkinson. Ho utilizzato in questo caso strumenti di calcolo coarse grain allo stato dell’arte in collaborazione con il laboratorio di Biologia Chimica dell'Università degli Studi di Verona.

Multiscale biomolecular simulations allow to understand sub cellular mechanisms of biological relevance. It provides a powerful tool to link the laws of physics with the complex behaviour of biological systems. Progress of computational resources, combined with the development of powerful algorithms for parallel computing, will increasingly lead to molecular views of large systems. These advances may tremendously affect biological sciences. In this thesis, I have applied multiscale computational biology approaches to different biological systems using state-of-the-art structural bioinformatics and computational biophysics tools. In particular, I performed an extensive computational characterization of the dibenzothiophene (DBT) degradation pathway of Burkholderia fungorum DBT1, a great promising bacterial strain in the field bio-remediation of Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). I analyzed the enzymes involved in this pathway at the sequence, structural and functional level. All the sequence/structural data analyzed and produced for this thesis, together with biochemical/enzymatic data retrieved from extensive literature search were included in the PWPAHs database that I have created. Furthermore, I worked in the field of computational molecular medicine. Indeed, in Chapter 4 I describe the work done in collaboration with the Internal Medicine lab of the University of Verona, in which, starting from unpublished experimental data I have computationally characterized a novel Serin Protease Inhibitor (SPI), which acts on the Matriptase 2 (MT2), an important human iron-homeostasis regulator. Then I have performed a detailed structural and functional characterization on two members of the PLP-dependent enzyme family (Chapter 5). In particular, I have used classical molecular dynamic simulations to perform a deep ligand optimization of the PLP-cystathionine ligand in the catalytic pocket of C-S lyase from Corynebacterium diphtheriae. I have been also involved in the creation of a computational protocol to analyze the stability of the molecular tags used in the targeting of DOPA decarboxylase (DDC) for Parkinson's disease treatment, using state of the art coarse-grained computational tools in collaboration with the Biological Chemistry laboratory of the University of Verona.