Conformational properties of unnatural amino acids in peptidomimetics/ foldamers: A molecular modelling study

Abstract

Non-canonical (unnatural) amino acids are molecules that enhance specific secondary structures and/or biological activity of peptides. Contrary to the well-known encoded (natural) amino acids, the structure and function of these residues is far for being fully understood. Nowadays, non-canonical amino acids are used to generate peptidomimetics with improved biostability and bioavailability. In this sense, we performed simulation studies of non-canonical amino acids able to induce constrained secondary structures in order to optimize peptides biological function. Molecular Dynamics simulations were performed systematically to validate and incorporate new classes of unnatural amino acids in novel and experimentally found peptides with desirable biological function. To do this, the Gromos 54a7 Force Field was augmented with a new set of parameters based on canonical, proteinogenic amino acids, needed to model the new residues. We study several classes of non-canonical amino acids, namely: symmetrical α,α -dialkyl glycines, asymmetrical α,α -dialkyl glycines, proline analogues, Cα to Cα cyclized amino acids and α,β- dehydroamino acids. These classes were chosen because very few amino acids of each class have been studied in detail. In addition, these amino acids are important examples of residues with good conformation inducer properties and/or medical applicability. The symmetrical and asymmetrical α,α -dialkyl glycines were studied in four well-known antibiotic peptaibols. Dhg (α,α -dihexyl glycine) and Ac6c (1-aminocyclohexane-1carboxylic acid or α,α -cyclohexyl glycine), symmetrical glycines, proved to be helical inducers in Alamethicin and Peptaibolin peptides. Also, these two examples promoted pre-organization in water, which was found to help insertion in membranes. On the other hand, the asymmetrical α,α -dialkyl glycines, like Iva (isovaline), were studied in Antiamoebin and Zervamicin peptaibols. In these studies, two amino acids analogs of Iva were found to induce improved helical secondary structure, namely α-methyl-D-leucine (MDL) and α- methyl-D-phenylalanine (MDP), which may be linked to the antibiotic properties of these peptaibols. In addition, proline analogs were also studied in Antiamoebin and Zervamicin peptaibols, which naturally contain Hyp (Hydroxyproline). Despite the known effect of prolines, which induce bends in helical secondary structures, the analog cis-3-amino-L-proline (ALP) proved to induce improved helical content in both peptaibols. Simulation of α,β-dehydroamino acids revealed a wide range of applicability for these systems, from self-assembly peptides for drug delivery to induction of different and specific secondary structures such as β and γ turns. Summing up, our simulation studies reveal that the incorporation of non-canonical amino acids in peptides is able to generate a large range of peptidomimetics with different structures and potential applications. Our findings show that the rational selection of unnatural residues increases membrane permeability through pre-organization in aqueous medium, stabilizes the content of desired types of secondary structure and, more generally, improves enzymatic and thermodynamic stability. This work showcases how molecular modeling can be applied to address a number of issues of interest for medicinal chemistry.

Os aminoácidos não-canónicos (ou não-naturais) são moléculas capazes de otimizar a estrutura secundária e/ou a atividade biológica de péptidos. A estrutura e função destas moléculas ainda não é bem conhecida, por oposição aos já bem estudados aminoácidos codificados por ADN (ou canónicos). Atualmente, os aminoácidos não-canónicos são utilizados para gerar péptidos miméticos com uma melhor bioestabilidade e biodisponibilidade. Devido a estas propriedades, decidimos investigar uma série de aminoácidos não-canónicos, através de simulações moleculares, para desenvolver estruturas secundárias mais constrangidas (estruturalmente estáveis) e, por consequência, otimizar a função biológica de determinados péptidos. Simulações de Dinâmica Molecular foram realizadas sistematicamente para validar novas classes de aminoácidos não naturais, e proceder à incorporação destas moléculas em novos péptidos ou em péptidos experimentalmente obtidos. Para alcançar este objetivo, o campo de forças Gromos 54a7 foi escolhido, e foram adicionadas parametrizações baseadas nos aminoácidos canónicos, necessárias à modelação desses novos resíduos. Estudamos, assim, diversas classes de aminoácidos não canónicos, nomeadamente: α,α- dialquilglicinas simétricas, α,α-dialquilglicinas assimétricas, análogos de prolina, aminoácidos ciclizados de Cα a Cα e α,β-desidroamino ácidos. Estas classes foram escolhidas porque poucos representantes de cada classe foram estudados em detalhe, e os que foram, apresentaram aplicabilidade em medicina e no design de péptidos estruturalmente constrangidos. As α,α-dialquilglicinas simétricas e assimétricas foram estudadas em quatro péptidos antibióticos amplamente estudados e conhecidos. Dhg (α,α-dihexilglicina) e Ac6c (ácido 1-aminociclohexanocarboxílico), ambos simétricos, demonstraram ser indutores de estruturas helicoidais nos peptaibols Alameticina e Peptaibolin. Além disso, estes dois exemplos promovem pré-organização em água, fator que está relacionado com a inserção em membranas. Por outro lado, a assimétrica Isovalina (Iva), foi estudada nos peptaibols Antiamoebina e Zervamicina. Nesses estudos, dois aminoácidos análogos à Iva revelaram uma melhor capacidade de induzir estruturas secundarias helicoidais (hélices do tipo alfa ou 310), e uma melhor estruturação pode traduzir-se em melhorias na função antibiótica. Também nos estudos envolvendo os péptidos Antiamoebina e Zervamicina, avaliamos os análogos da prolina, um aminoácido conhecido por gerar regiões de elevada curvatura em péptidos. No entanto, o análogo ALP (cis-3-amino-L-proline) demonstrou aumentar o número de resíduos em helice nos dois péptidos. As simulações envolvendo α,β-desidroamino ácidos revelaram que estes resíduos tem uma vasta aplicabilidade, pois os péptidos nos quais estão incorporados podem agregar-se formando géis capazes de transportar medicamentos, ou então, induzir estruturas secundárias menos comuns, como alfa e gama turns. Resumindo, nossos estudos de simulação molecular revelaram que a incorporação de aminoácidos não-canónicos em péptidos é capaz de gerar um grande número de péptidos miméticos com diferentes preferências estruturais e diferentes aplicabilidades. Nossas descobertas mostraram que a correta escolha de aminoácidos não-naturais otimizam diversas características, dentro das quais se destacam: a permeabilidade em membrana, a pre-organização em meio aquoso, a estabilização de tipos específicos de estruturas secundarias e a resistência enzimática. Este trabalho destaca como a Modelação Molecular pode ser aplicada para uma melhor compreensão de um grande número de temas de interesse na Química medicinal.