Comparação de métodos computacionais para estimar a energia livre de Gibbs em reações bioquímicas

Abstract

A energia livre de Gibbs, por indicar o saldo energético de uma reação química ou bioquímica, fornece indicações acerca da direção e da reversibilidade que essa reação e, em última instância, uma via metabólica completa, podem tomar. Estas informações podem ser de uma utilidade crucial na concepção de processos bioquímicos da maior relevância quer em investigação científica, quer ao nível de aplicações inovadoras nas mais variadas áreas da biotecnologia. No entanto, a disponibilidade de dados termodinâmicos concretos e, em especial, sobre a variação da energia livre de Gibbs, em reações do metabolismo celular é escassa e, frequentemente, incompleta. Ademais, os constrangimentos práticos da sua obtenção pela via experimental impedem a avaliação termodinâmica de grande número de reacções. Os métodos estimativos são por isso uma opção atrativa, tendo já sido publicados por vários autores diversos trabalhos que visam o desenvolvimento de formas alternativas de avaliar a variação da energia livre de Gibbs de um elevado número de reacções num curto espaço de tempo. Os esforços mais recentes e promissores neste sentido procuram combinar, de uma forma completa e consistente, os dados obtidos pela via experimental com diferentes abordagens teóricas sobre a previsibilidade da termodinâmica ao nível de reações bioquímicas. Nesta dissertação, colocam-se em destaque dois métodos em particular. O primeiro, Component Contribution, utiliza dados provenientes de trabalhos experimentais, aliados a outras informações teóricas e a um princípio assente na decomposição das espécies químicas envolvidas em vários grupos funcionais. O segundo, por sua vez, baseia-se na ideia de que os dados experimentais disponíveis na literatura podem ser aplicados segundo uma lógica de semelhanças estruturais e transformacionais para inferir dados acerca de reações para as quais os parâmetros termodinâmicos são ainda desconhecidos. Na impossibilidade de aplicar diretamente este segundo método nos seus moldes originais, neste trabalho optou-se por desenvolver de raíz um programa baseado nos mesmos princípios teóricos. São ainda tecidas considerações sobre o âmbito de aplicabilidade de cada um dos métodos abordados e avaliada a capacidade de um poder complementar o outro, numa ferramenta mais completa e mais robusta.

For its ability to denote the energetic balance of a chemical or biochemical reaction, Gibbs free energy provides information about the direction and reversibility that it, or even a complete metabolic pathway, can take. Such information may be of great value for designing biochemical processes of huge relevance for both scientific research and innovative applications in the most diverse fields of biotechnology. However, availability of specific data about the thermodynamics – and especially about the Gibbs free energy – of metabolic reactions is limited and often incomplete. Moreover, practical constraints involved in their experimental measurement prevent ascertaining thermodynamical parameters for a large number of reactions. Estimation methods pose therefore an attractive option, and several works have been published envisioning the development of alternative ways for evaluating the change in Gibbs free energy for large sets of reactions in a short time. The most recent and promising efforts look for consistently combining experimental data and different theoretical approaches on predicting thermodynamics in biochemical reactions. This thesis focuses on two methods. The first one, Component Contribution, uses data from experimental works together with other theoretical information and the idea that chemical species taking part in a reaction can be decomposed into several functional groups. The second one relies on the principle that the available experimental data can be used for searching structural and transformational similarities for inferring data for reactions with unknown thermodynamic parameters. Although the second method could not be implemented in its original formulation, another method was developed from scratch during this work, using the same theoretical principles employed in the original one. The practical applicability of each method was evaluated, as well as the possibility of their implementation in a complementary manner.