Modified PNA design and synthesis: a novel approach using Molecular Dynamics and Metadynamics

Peptide nucleic acids (PNAs) are powerful biotechnological tools for targeting DNA or RNA. PNA structures containing modified nucleobases or backbones are currently investigated to improve their properties in biological media. MicroRNA targeting (anti-miR) is particularly interesting for future therapeutic applications, but appropriate computational tools for assisting the design of new anti-miR PNA are still not fully developed. In this thesis a combined approach (synthesis and computational models) has been developed. The conformational properties of single strand PNAs (unmodified and γ modified) and of PNA:RNA duplexes and the dynamic processes of re-annealing and melting have been studied by means of Molecular Dynamic and Metadynamics. Mature computational approach, together to a modified program for the generation of PNA duplex structures, was used for a virtual screening of PNAs bearing modified bases. Building blocks for obtaining more promising compound were synthetized together with a hydrolytic unit to be coupled to final monomer.

Gli acidi peptido nucleici sono potenti strumenti utilizzati in ambito biotecnologico per colpire DNA o RNA. PNA contenenti basi o backbone modificati sono attualmente studiati per migliorarne le proprietà in ambito biologico. Bersagliare i micro RNA (anti-miR) è particolarmente interessante nell’ottica di future applicazioni terapeutiche, ma strumenti computazionali che aiutino nel design di nuovi PNA anti-miR non sono stati ancora completamente sviluppati. Le proprietà conformazionali del singolo filamento di PNA (non modificato o recante modificazioni in γ) e dei duplex PNA:RNA e i processi di re-annealing e melting sono stati studiati tramite Dinamica Molecolare e Metadinamica. L’approccio computazionale consolidato, assieme a un programma modificato per la generazione delle strutture dei duplex contenenti PNA, è stato utilizzato per il virtual screening di PNA contenenti basi modificate. Sono state inoltre sintetizzate le unità per l’ottenimento del composto più promettente e una funzione idrolitica da legare al monomero finale.