Projekti / Programi
Dinamični vidik vezave ligandov na proteine
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
ligand-protein, dinamični procesi, mehanizem vezave, NMR spektroskopija, vibracijska spektroskopija, simulacije molekularne dinamike
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Mnogi procesi, ki so bistveni za žive organizme, vključujejo vezavo ligandov na proteine, pri čemer ligandi preklapljajo proteine med različnimi funkcionalni stanji. Strukture kompleksov ligand-protein z atomsko ločljivostjo predstavljajo osnovo za razumevanje interakcij med ligandi in proteini. Vendar pa postaja jasno, da lahko na mehanizem vezave ligandov na proteine močno vplivajo tudi dinamični procesi. Zato je za temeljito razumevanje tega mehanizma in njegove funkcionalne vloge v določenem življenjskem procesu potrebna kombinirana strukturno dinamična karakterizacija vezave ligand-protein. Kljub modernemu razvoju biofizikalnih metod in računalniških pristopov za preiskave biomolekularnih sistemov, ostaja karakterizacija dinamičnih procesov zaradi njihove izmuzljive narave zahteven izziv.
Cilj tega projekta je detajlna karakterizacija dinamičnih procesov v kompleksih ligand-protein z atomsko ločljivostjo na širokem časovnem območju z uporabo kombiniranega pristopa jedrske magnetne resonance (NMR), vibracijske spektroskopije in simulacij molekulske dinamike (MD). Raziskave bodo obsegale podrobno karakterizacijo proteinske dinamike v kompleksih ligand-protein, vključno z upoštevanjem redko zasedenih visoko energijskih proteinskih stanj. Posebna pozornost bo namenjena karakterizaciji sklopljenih gibanj liganda in proteina in doslej zelo slabo raziskanemu razmerju med notranjo gibljivostjo liganda in njegovo biološko učinkovitostjo. Naši nedavni rezultati so pokazali, da lahko poleg notranje gibljivosti proteinov ti dinamični procesi močno vplivajo na ligand-protein interakcije in so lahko povezani s funkcionalnostjo ligandov. Zmogljivosti NMR spektroskopije za odkrivanje in študij notranje gibljivosti proteinov na časovnem območju od pikosekund do za milisekund so dobro poznane. Na podlagi naše karakterizacije zelo notranje gibljivih dipeptidov v vodnem okolju, smo prepričani, da bo vibracijska spektroskopija pomembno prispevala k NMR študijam s svojo sposobnostjo neposrednega merjenja kratkoživih stanj, predvsem pri karakterizaciji notranje gibljivosti ligandov. Za razumevanje korelacije med posameznimi vrstami gibanj in njihovega vpliva na vezavo ligand-protein, bomo uporabili MD simulacije in razvili računalniška orodja za primerjavo numeričnih rezultatov z eksperimentalnimi podatki.
Raziskali bomo vezavo ligandov na Mur ligazo D, več-domenski proteinski encim, ki odraža konformacijsko dinamiko na širokem območju v času in prostoru. Rezultati teh študij bomo uporabili za načrtovanje bolj aktivnih inhibitorjev Mur ligaze D, ki jih bomo sintetizirani in biološko ovrednotili. Tako bomo preučili potencial naših rezultatov za tarčno načrtovaje in odkrivanje zdravilnih učinkovin. Splošno uporabo novih znanj bomo ocenili preko študije vezave ligandov na druge proteine, sterol 14α-demetilazo in živčni rastni faktor. Njuna mehanizma aktivacije doslej še nista razložena.
Rezultati predlaganih študij bodo lahko bistveno prispevali k napredku molekularne medicine in bodo zelo pomembni za številna specifična raziskovalna področja, kot so molekularno prepoznavanje, molekularna signalizacija, encimska kataliza, zvitje proteinov, tarčno načrtovanje in odkrivanje zdravilnih učinkovin.
Pomen za razvoj znanosti
Cilj tega projekta je karakterizacija dinamičnih procesov v kompleksih ligand-protein na širokem časovnem območju na atomski ravni, ki je potrebna za pravilno razumevanje mehanizma vezave ligandov na proteine. Novo znanje bo prispevalo tudi h karakterizaciji vezave proteinov na proteine, DNK molekul na proteine, in drugih procesov, ki vključujejo fleksibilnost proteinov, kot so zvitje proteinov, alosterični mehanizmi, kot tudi, k opredelitvi notranje neurejenih proteinov. Na splošno bodo pričakovani rezultati navdihnili bodoče študije slabo raziskane vloge dinamike in molekularne fleksibilnost v bioloških procesih.
Zlasti je podrobna fizikalnokemijska karakterizacija vezave ligandov na proteine povezana s tarčno osnovanim načrtovanjem in odkrivanjem novih zdravilnih učinkovin. Kljub velikim prizadevanjem zasebnih podjetij in akademskih institucij v zadnjih desetletjih, je uspešnost odkrivanja novih zdravilnih učinkovin nizka. Smatra se, da obstoječe metode načrtovanja zdravilnih učinkovin niso dovolj efektivne. Prispevek v ugledni znanstveni reviji Nature je na primer pokazal zaskrbljujoči dejstvi o trenutnih razmerah v razvoju novih protibakterijskih učinkovin. To sta: (i) v zadnjih štiridesetih letih so lansirali le štiri nove razrede antibiotikov in (ii) mnoge velike farmacevtske družbe so opustile razvojno raziskovalne dejavnosti na področju novih protibakterijskih učinkovin, čeprav odpornost bakterij postaja kritična po vsem svetu (Nature, 472, 2011, 32). Pričakovani rezultati tega projekta bodo nudili osnovo za razvoj bolj efektivnih metodologij za načrtovanje in odkrivanje novih zdravilnih učinkovin. Dejansko je ustrezna obravnava dinamičnih učinkov aktualna in vroča tema v raziskovalni skupnosti, ki se ukvarja z razvojem zdravilnih učinkovin in bo omogočila nastanek tako imenovane "dobe gibljivosti" v odkrivanju zdravil.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je usklajen z nacionalnimi Strateško razvojnimi inovacijskimi partnerstvi (SRIP), še posebej s partnerstvom Zdravje-medicina. SRIP so ustanovili za okrepitev raziskovalno-razvojno-inovacijskega povezovanja sicer neodvisnih deležnikov (gospodarstva, raziskovalnih organizacij ter drugih relevantnih razvojnih deležnikov) z namenom sistematičnega povezovanja v mednarodne verige vrednosti in zagotovitvijo celovitega podpornega okolja v Sloveniji, vključno z razvojem kadrov.
Rezultati projekta bodo nadgradili razumevanje molekularnega mehanizma biološkega delovanja muramilne ligaze D (MurD), sterol 14?-demetilaze (CYP51) in živčnega rastnega dejavnika (NGF), ki ima velik pomen za biomedicino. Podrobna fizikalno-kemijska karakterizacija vezave ligandov na MurD in Cyp51 lahko pripelje do odkritja novih spojin vodnic, ki imajo lahko takojšen učinek na razvoj nekaterih vrst nujno potrebnih zdravil, kot so novi antibiotiki in antimikotiki. V Evropski uniji se v bolnišnicah vsako leto okuži dva milijona ljudi z bakterijskimi infekcijami, od tega jih skoraj dvesto tisoč umre, ker razpoložljivi antibiotiki ne učinkujejo. Tudi odpornost gliv postaja kritična, še posebej ob upoštevanju visoke smrtnosti sistemskih glivnih infekcij, ki ogrožajo ljudi z oslabljenim imunskim sistemom, kot so bolniki z aidsom in rakasti bolniki, pacienti po presaditvi organov, in mnogi drugi. NGF sodeluje pri vzdrževanju in rasti različnih nevronskih populacij. Poleg svoje vloge v živčnem sistemu NGF sodeluje tudi pri aktivaciji imunskega in endokrinega sistema in je povezan s prevajanjem bolečine. Zato je zanimanje za uporabo NGF kot zdravila z živčno-zaščitnimi učinki zelo visoko. Povzročanje hude bolečine v kliničnih testiranjih pa je doslej oviralo aktivno uporabo NGF v medicini. Zaradi možne uporabe NGF kot zdravila in identifikacije aktivnih antagonistov, ki blokirajo povzročanje bolečine, je izredno pomembno razvozlati molekularni mehanizem signalne poti NGF, ki vključujejo vezavo ligandov.
Rezultati predlaganega projekta bodo dragoceni za farmacevtske družbe in bodo razširiti sodelovanje Kemijskega inštituta in Fakultete za farmacijo s slovensko farmacevtsko industrijo, Lek in Krko. Člani skupine so v preteklosti za ti dve družbi uspešno izvedli številne projekte. Mladi raziskovalci, ki bodo vključeni v ta projekt, bodo lahko nova znanja uporabili za vzpostavitev »spin-off« podjetij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
