آنالیز کنفورماسیونی و محاسبات تابعی چگالی الکترونی ترکیبات بی فلاونوئیدی به عنوان مهار کننده های پروتئاز SARS-CoV2

خلاصه فارسی

مقدمه: با توجه به موفقیت های محدود در توسعه داروهای ضد ویروس علیه بیماری کووید-۱۹، استفاده از ساختار های گیاهی توجه بیشتری را به خود معطوف کرده است. علی رغم توزیع اندک در قلمرو گیاهی، بی فلاونوئیدها متابولیت های ثانویه ارزشمندی با قابلیت پیشگیری و درمان بیماری های مختلف هستند. با توجه به یافته های علمی، بی فلاونوئید ها نقطه شروع مناسبی در مسیر دستیابی به عوامل ضد کووید-۱۹ می باشند. بر اساس اطلاعات علمی موجود، اهمیت ساختاری آنزیم پروتئاز 3-chemotrypsin-like (3CLpro) در بیوسنتز RNA‌ ویروسی، پتانسیل آن را به عنوان یک هدف مهاری در SARS-CoV-2 افزایش داده است و از این رو توسعه مولکول هایی که قادر باشند تا با قدرت بالا و به طور اختصاصی به سایت مذکور اتصال یابند، مورد توجه محققین است. روش کار: در این پروژه مجموعه ترکیبات مورد مطالعه شامل ۱۱۵ مشتق مهم بی فلاونوئیدی با فعالیت بیولوژیکی بودند که تحت آنالیز کیفی و کمی از نظر اتصال به باندینگ سایت SARS-CoV-2 3CLpro قرار گرفتند. ویژگی های دارو همانندی ترکیبات منتخب توسط سرور محاسباتی SwissADME مورد بررسی قرار گرفت. مشتقات بی فلاونوئیدی تحت شبیه سازی داکینگ مولکولی با نرم افزار Autodock4.2 قرار گرفتند و ساختارهای برتر از نظر قدرت اتصال به جایگاه لیگاند کو-کریستالوگرافی مشخص گردید. به منظور اعتبارسنجی نتایج داکینگ و بررسی پایداری کمپلکس های برتر، شبیه سازی دینامیک مولکولی (MD) به مدت ۵۰ نانو ثانیه در محیط آبی انجام گردید. پس از حصول به کمپلکس های پایدار لیگاند-آنزیم، در فاز نهایی مطالعه، قدرت برهمکنش مولکولی در سطح لیگاند-اسید آمینه برای کمپلکس های پایدار با استفاده از روش تابعیت چگالی الکترونی (DFT) توسط برنامه Gaussian 09 مورد محاسبه قرار گرفت. یافته ها: بر اساس انرژی باندینگ، Garciniaflavone C (kcal/mol 12/66-Gb Δ)، 7,7´´,4´´´-tri-O-methylagathisflavone (kcal/mol 12/16-Gb Δ) و 8,8´´-biapigenil (kcal/mol 08/۱۲-Gb Δ) به عنوان ترکیبات برتر انتخاب گردیدند. مطالعات دینامیک مولکولی نشان داد که Glu166 تنها اسید آمینه برهمکنش دهنده ای بود که در الگوی اتصال هر ۳ لیگاند برتر با انرژی اتصال جاذبه ای (0≥) پایداری نشان داد. ساختارهای برتر بی فلاونوئیدی حداقل با یکی از اسیدهای آمینه کاتالیتیک SARS-CoV-2 3CLpro (His41 و Cys145) برهمکنش دادند. بر اساس شاخص گزینش پذیری 7,7´´,4´´´-tri-o-methylagathisflavone، گزینش پذیری بیشتری نسبت به سایر بی فلاونوئیدها در اتصال به SARS-CoV2 3CLpro در مقایسه با 3CLpro SARS-CoV-1 نشان داد. بحث و نتیجه گیری: نتایج این تحقیق مشخص نمود که Garciniaflavone C، 8,8´´-biapigenil، 7,7´´,4´´´-tri-o-methylagathisflavone کمپلکس های پایداری با آنزیم پروتئاز اصلی SARS-CoV2 تشکیل می دهند. همچنین کنفورماسیون های باندینگ ترکیبات بی فلاونوئیدی تحت مطالعه قادر بودند تا به صورت تجمعی حجم قابل توجهی از باندینگ سایت آنزیم پروتئاز اصلی SARS-CoV-2 را اشغال نمایند. این مسئله پتانسیل مشتقات بی فلاونوئیدی مهم را در طراحی ترکیبات هیبریدی با قابلیت اتصال بهینه و مهار آنزیم پروتئاز اصلی SARS-CoV2 نشان می دهد که می تواند در تحقیقات بعدی مورد توجه قرار گیرد. در حالی که فعالیت بیولوژیکی و مکانیسم آن در اکثر بی فلاونوئید ها نیازمند تحقیق و مطالعات بیشتر است، نتایج حاصل از این مطالعه پتانسیل بالای ترکیبات بی فلاونوئیدی در اتصال و احتمالاً مهار SARS-CoV2 3CLpro را با توجه به ویژگی های مهم ساختاری آنها نشان می دهد.

عنوان انگليسی

Conformational analysis and DFT calculations of biflavonoid compounds as SARS-CoV2 protease inhibitors

خلاصه انگلیسی

Introduction: With regard to the limited success of antiviral medications against COVID-19, traditional medicines gain increasing attention. Despite less distribution within the plant kingdom, biflavonoids (BFs) are invaluable secondary metabolites with potential applicability for prevention and treatment of several diseases. With regard to scientific indications, BFs are privileged starting points toward anti-COVID-19 agents and some BF structures such as amentoflavone exhibited inhibitory effects on respiratory syndrome viruses. Additional 2/3-phenyl-4H-chromen-4-one moiety of BFs with respect to flavonoids is implicated in further binding interactions to the intended target. The functional importance of 3-chymotrypsin-like protease (3CLpro) in forming viral RNA raises its potential to be targeted in SARS-CoV2. Method and Material: In this project, 115 privileged biflavonoid structures with biological activity were used for qualitative and quantitative analysis in terms of binding to SARS-CoV-2 3CLpro active site. Druggability properties of selected ligands were examined by the SwissADME website. Biflavonoid derivatives were subjected to molecular docking simulation with Autodock4.2 software to identify top ranked ligands based on the analysis of ligand binding patterns to co-crystallographic site. In order to validate the docking results and evaluate the stability of top ranked complexes, molecular dynamics (MD) simulations were performed for 50 ns in aqueous medium. Analysis of MD results were mediated by using RMSD, RMSF, Rg, intermolecular and intramolecular hydrogen bonds, and SASA criteria. Subsequent to attaining stable ligand-enzyme complexes, molecular binding energy at the ligand-amino acid level was calculated using density functional theory (DTF) method by Gaussian 09 program. Finally, based on obtained structure binding relationship, hypothetical biflavonoid pharmacophores with optimal binding capability to SARS-CoV-2 3CLpro were proposed. Results: Despite structural resemblance of studied BFs, wide range of binding affinities could be assigned to the interacted conformations (Genkwanol C: ΔG b -7.11 kcal/mol and Garciniaflavone C: ΔG b -12.66 kcal/mol). Glu166 was the sole preserved binding residue within all simulated BF complexes. Hydrophobic contacts played important role in stability of Garciniaflavone C complex. Top ranked biflavonoid structures had interaction with at least one of the catalytic dyads of SARS-CoV-2 3CLpro (His41 and Cys145). Among top ranked ligands, 7,7´´,4´´´-tri-O-methylagathisflavone showed higher stability during molecular dynamic simulation. Glu166 as sole preserved binding residue has negative binding energy in all top ranked ligand. 5´´´,7´´´-dihydroxy-4´´´-oxo-4´´´H-chromen-2-yl ring in Garciniaflavone C participates in all polar interactions. In 7,7´´,4´´´-tri-O-methylagathisflavone Ser46 and His41 (-4.62 and -9.64 Kcal/mole respectively) plays the most important role in stability of complex. In 8,8´´-biapigenil Thr54, His164, and Asp48 (-10.00, -8.37, and -8.23 Kcal/mol respectively) have important role in π-stacking and H-bond interactions respectively. Selectivity index of Garciniaflavone C، 7,7´´,4´´´-tri-O-methylagathisflavone, and 8,8´´-biapigenil were obtained as 1.22, 1.39, and 1.31, respectively. Molecular docking study demonstrated more selectivity to SARS-CoV-2 3CLpro for 7,7´´,4´´´-tri-O-methylagathisflavone in comparison with SARS-CoV-1 3CLpro. Discussion and conclusion: Results of current study revealed that Garciniaflavone C، 8,8´´-biapigenil and 7,7´´,4´´´-tri-o-methylagathisflavone were capable of forming stable complexes with SARS-CoV2 3CLpro. Moreover, BFs under study could collectively occupy substantial space of enzyme active site. Such observation indicated the potential of these BF structures for the design of hybrid chemicals with optimum binding features and enzyme inhibition. 7,7´´,4´´´-tri-o-methylagathisflavone showed more selectivity in binding toward SARS-CoV2 3CLpro with regard to SARS-CoV1 3CLpro. Although the biological activity and its mechanism are yet to be explored within BFs, the results of this study emphasize on the potentiality of BFs in binding and probably inhibiting SARS-CoV2 3CLpro

Document Downloads