Multi-scale approaches to Food Sciences: computational QM and MM explorations at the microscopic level

Abstract

L'obiettivo principale della politica di sicurezza alimentare è quello di garantire la salute dei consumatori attraverso regole e protocolli di sicurezza specifici. Al fine di rispondere ai requisiti di sicurezza alimentare e standardizzazione della qualità, nel 2002 il Parlamento Europeo e il Consiglio dell'UE (Regolamento (CE) 178/2002 (CE, 2002)), hanno cercato di uniformare concetti, principi e procedure in modo da fornire una base comune in materia di disciplina degli alimenti e mangimi provenienti da Stati membri a livello comunitario. La formalizzazione di regole e protocolli di standardizzazione dovrebbe però passare attraverso una più dettagliata e accurata comprensione ed armonizzazione delle proprietà globali (macroscopiche), pseudo-locali (mesoscopiche), ed eventualmente, locali (microscopiche) dei prodotti alimentari. L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è di illustrare come le tecniche computazionali possano rappresentare un valido supporto per l'analisi e ciò tramite (i) l’applicazione di protocolli e (ii) miglioramento delle tecniche ampiamente applicate. Una dimostrazione diretta delle potenzialità già offerte dagli approcci computazionali viene offerta nel primo lavoro in cui un virtual screening basato su docking è stato applicato al fine di valutare la preliminare xeno-androgenicità di alcuni contaminanti alimentari. Il secondo e terzo lavoro riguardano lo sviluppo e la convalida di nuovi descrittori chimico-fisici in un contesto 3D-QSAR. Denominata HyPhar (Hydrophobic Pharmacophore), la nuova metodologia così messa a punto è stata usata per esplorare il tema della selettività tra bersagli molecolari strutturalmente correlati e ha così dimostrato di possedere i necessari requisiti di applicabilità e adattabilità in un contesto alimentare. Nel complesso, i risultati ci permettono di essere fiduciosi nel potenziale impatto che le tecniche in silico potranno avere nella identificazione e chiarificazione di eventi molecolari implicati negli aspetti tossicologici e nutrizionali degli alimenti.

The main objective of food safety policy is to ensure consumers health through specific rules and protocols of security. To address the purposes of food safety and quality standardization, in 2002 the European Parliament and the Council of the EU (Regulation (EC)178/2002 (EC, 2002)), tried to approximate these concepts, principles and procedures so as a common basis for measure governing food and feed taken in the Member States at Community level. Formalization of rules and protocols standardization should pass through a more detailed and accurate harmonization of the knowledge on the global (macroscopic), pseudo-local (mesoscopic), and possibly, local (microscopic) properties of food products. Within this multi-scale framework, the main aim of this doctoral thesis is to highlight how computational techniques would represent a valid support for the analysis through the (i) application of already known protocols and (ii) improvement of widely applied techniques. A direct demonstration of the potentialities already offered by in silico approaches is given in the first work where a docking-based screening for preliminary (in silico) hazard evaluation of the potential xeno-androgenic effects of some food contaminants has been realized and discussed. The second and third works concern the development, and validation of new physic-chemical descriptors to be applied in a 3D-QSAR context. The so developed and validated HyPhar (Hydrophobic Pharmacophore) methodology has been applied to explore the selectivity issues among closely and structurally related molecular targets and has shown potential to be utilized in a wide domain of applicability and adaptability in food sciences. Overall, the results allow us to be confident in the potential impact of in silico techniques to disclose the molecular events implicated in toxicological, nutritional aspects of foods.