In silico identification of protein targets associated to the insecticide activity of natural products

Abstract

O crescimento rápido e exponencial da população mundial, bem como a necessidade de uma rede alimentar segura, conduziu inevitavelmente a um acréscimo da utilização de inseticidas, dado o papel crucial que estes desempenham na proteção das culturas agrícolas, protegendo-as contra os danos provocados por insetos e assim, garantindo uma produção segura de alimento. Apesar de todos os seus benefícios, os inseticidas convencionais estão associados a vários efeitos adversos, entre os quais a poluição ambiental, os danos provocados a espécies não-alvo e a resistência, que tem aumentado e afetado extensamente o controlo efetivo das populações de insetos. A identificação de alvos proteicos associados à atividade inseticida de compostos naturais é determinante para o desenvolvimento de novos inseticidas viáveis e capazes de ultrapassar as problemáticas atuais. Nesta dissertação, desafiámo-nos a identificar tais alvos proteicos recorrendo a métodos in silico. Numa primeira seção, forneceu-se uma visão abrangente dos inseticidas - a sua importância e necessidade crescente, os inseticidas mais utilizados e os seus efeitos adversos, quais os principais alvos conhecidos para a atividade inseticida (moléculas que perturbam o sistema nervoso do inseto, reguladores de crescimento, endotoxinas, entre outros), a problemática da resistência a inseticidas e ainda algumas soluções alternativas para os inseticidas convencionais. O estudo recorreu a métodos de inverted virtual screening para a identificação de possíveis alvos inseticidas para o eugenol e 11 dos seus derivados. Os resultados mostraram que estes compostos têm uma maior afinidade de ligação para as odorant binding proteins e acetilcolinesterases. Em paralelo, este estudo permitiu o desenvolvimento de uma base de dados de estruturas tridimensionais de alvos mais comuns para moléculas com atividade insecticida, que poderá vir a ser usada no futuro para a identificação e otimização de novas moléculas com atividade insecticida.

The increasing demand for food security and the rapidly growing population have led to an increased demand for insecticides. Insecticides play a crucial role in protecting crops from insect damage and ensuring food security. However, conventional insecticides have several adverse effects, including environmental pollution and harm to non-target species. Moreover, resistance to insecticides has become a major problem, making it difficult to control insect populations effectively. In this context, there is a need for new and innovative insecticides that are effective and environmentally friendly. The identification of protein targets associated with the insecticide activity of natural compounds is crucial in the development of new insecticides. In this study, we aimed to identify such protein targets using in silico methods. The first section of this thesis provided a comprehensive overview of insecticides, including their significance and growing demand, the most commonly used insecticides, and their associated adverse effects. The section also delved into the major known targets for insecticidal activity, including molecules that disrupt the insect's nervous system, growth regulators, endotoxins, and others. The issue of insecticide resistance and alternative solutions for conventional insecticides was also highlighted. The study leverages inverted virtual screening techniques to identify potential insecticidal targets for eugenol and 11 of its derivatives. The results show that eugenol derivatives have a higher binding affinity for odorant binding proteins and acetylcholinesterases. This project presents a straightforward approach for the application of in silico methods in identifying possible targets for new insecticides. In addition, this project enabled the development of a database of tridimensional structures of protein targets of molecules with insecticide activity that can be used in the future for the development or optimization of new insecticide compounds.