Projekti / Programi
Folding in dinamika biomolekularnih sistemov
01. januar 1999
- 31. december 2003
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P351 |
Naravoslovno-matematične vede |
Strukturna kemija |
| P370 |
Naravoslovno-matematične vede |
Makromolekularna kemija |
| P400 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizikalna kemija |
| P410 |
Naravoslovno-matematične vede |
Teoretična kemija, kvantna kemija |
| P310 |
Naravoslovno-matematične vede |
Beljakovine, encimologija |
| P340 |
Naravoslovno-matematične vede |
Lipidi, steroidi, membrane |
Proteini, RNA, DNA, membrane, antibiotiki, protein folding, molekularna dinamika, napovedovanje strukture proteinov, Monte Carlo simulacije, vibracijska spektroskopija, NMR, elektrostatika, hidrofobnost, fleksibilnost, genska terapija.
Raziskovalci (4)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.824 |
Povzetek
Biološka aktivnost biomolekularnih sistemov je neločljivo povezana z dinamičnimi procesi kot so npr.: proces zvitja ('folding') proteinov in RNA, alosterične spremembe na receptorjih, interakcije biomolekul z membrano, itd. V našem laboratoriju smo dinamiko biomolekularnih sistemov študirali s teoretskimi in eksperimentalnimi metodami. Osredotočili smo se predvsem na študij procesa zvitja proteinov, fizikalne karakterizacije biološko pomembnih molekul v tekočinah in na sisteme biopolimer - membrana. Proces pri katerem preide protein iz denaturiranega stanja v biološko aktivno nativno konformacijo imenujemo zvitje ali 'protein folding'. Razumevanje tega procesa predstavlja enega najtežjih in še nerešenih problemov v molekularni biologiji. Kljub temu, da je bilo razvitih že veliko teoretskih metod za študij zvitja proteinov, pa splošno uporabne metode za napovedovanje nativne tridimenzionalne strukture zaenkrat še ni. Med naša najpomembnejša odkritja v preteklem obdobju sodi prav gotovo izredno velik vpliv senčenja elektrostatskih interakcij med polarnimi atomi glavne verige na strukturo proteinov. Na osnovi elektrostatskega modela smo razvili novo in uspešno metodo napovedovanja tridimenzionalne strukture proteinov. V okviru predlagane programske usmeritve bomo študij dinamike biomolekularnih sistemov nadaljevali s teoretskimi in eksperimentalnimi metodami. Študirali bomo predvsem proces zvitja proteinov in RNA ter dinamiko sistemov biopolimer - membrana. Metodo napovedovanja tridimenzionalne strukture proteinov bomo izboljšali z uvedbo novih konceptov kot npr.: odvisnostjo hidrofobnega efekta od elektrostatskega polja. Potenciale srednje sile bomo uporabili za določitev prispevkov intramolekularnih interakcij k prosti energiji RNA in z njimi raziskali možnost napovedovanja tridimenzionalne strukture RNA. Za iskanje najbolj stabilne konformacije proteinov in RNA si bomo pomagali tudi z metodami virtualne resničnosti. V slovenski prostor bomo uvedli nove, v svetu pa uveljavljene, eksperimentalne metode za spremljanje zvitja proteinov. Vpliv elektrostatskega polja na hidrofobni efekt bomo raziskali z vibracijsko spektroskopijo in s tem morda pojasnili časovni potek zvitja proteinov. S študijem obstojnosti iztegnjene konformacije ('strand') majhnih sintetičnih peptidov in denaturiranih proteinov v odvisnosti od različnih medijev (voda, metanol, membrana, itd) bomo eksperimentalno ovrednotili vpliv senčenja elektrostatskih interakcij na strukturo proteinov. Vlogo membran na strukturo in dinamiko sistemov biopolimer - membrana pa bomo študirali z metodami NMR, vibracijske spektroskopije in molekularnega modeliranja. Uporabili bomo različne modelne membranske sisteme in raziskali njihove interakcije s proteini, antibiotiki in hormoni. Z NMR in vibracijsko spektroskopijo bomo proučili vpliv membrane na biološko aktivnost antibiotika vankomocina. S študijem dinamike sistemov DNA - membrana pa bomo ocenili možnosti za prenos genov v obliki plazmidov v celice.
Pomen za razvoj znanosti
Razumevanje zvitja proteinov predstavlja enega najbolj pomembnih temeljnih problemov v znanosti. Teoretska rešitev tega problema je zaradi izrednega napredka projekta 'Človeški Genom', ki proizvaja sekvence tisočih genov proteinov neznane funkcije, čedalje bolj potrebna. Brez sposobnosti napovedovanja tridimenzionalnih struktur proteinov bo precej informacij v novo pridobljenih sekvencah amino kislin ostalo neuporabno. Rešitev problema zvitja proteinov bo izredno pospešila razvoj znanosti in aplikacij v svetu in v Sloveniji. Nova odkritja je mogoče pričakovati v kemiji, biologiji, medicini in na drugih področjih, kar bo pripomoglo k razumevanju procesov v živih bitjih. Najbolj pa se bo poznalo pri načrtovanju novih zdravil. Naše delo ima zato značaj tako osnovnega kot tudi aplikativnega raziskovanja. Natančno poznavanje dinamike sistemov biopolimer - membrana ni pomembno le za razumevanje delovanja antibiotikov vankomicinskega tipa, ampak tudi za razumevanje vrste drugih pomembnih bioloških procesov: vgradnje in zvitja membranskih proteinov, interakcij hormonov z membranskimi receptorji in prenos učinkovin v celice. Študij dinamike sistemov DNA - membrana je ključen za razumevanje prenosa genov v obliki plazmidov v celice in je zato izredno pomemben za razvoj genske terapije.
Pomen za razvoj Slovenije
Za uspešno določevanje tridimenzionalnih struktur proteinov so v tem trenutku na voljo le drage in dolgotrajne tehnike kot so rentgenska strukturna analiza in NMR spektroskopija. Naša nova metoda za napovedovanje tridimenzionalne strukture proteinov je sposobna natančno napovedati strukturo treh izmed 12 majhnih proteinov (do 120 amino kislin) , kar jo v uvršča med trenutno najboljše na svetu. V prihodnosti pričakujemo, da bodo metode za napovedovanje tridimenzionalne strukture proteinov še bolj uspešne in da bodo postale nepogrešljivo orodje v farmacevtski industriji (tudi Lek in Krka) za modeliranje kompleksov ligand-receptor, encim-substrat in drugih proteinskih interakcij. Z izpopolnjeno metodo napovedovanja strukture proteinov bomo modelirali membranske receptorje. S tem modelom bomo poizkusili pojasniti vezavo dihidropiridinskih Ca-antagonistov na receptor, kar bi bilo zelo zanimivo za Lek d.d. Raziskava antibiotikov vankomicinskega tipa je prav tako v interesu Lek d.d. Študij molekularne strukture in dinamike sistema vankomicin - membrana z NMR je pokazal, da membrana spremeni antibiotikovo konformacijo in fleksibilnost. Vzrok za tako obnašanje je morda v zmanjšanem senčenju elektrostatskih interakcij v membranah. Fleksibilnost lahko igra pomembno vlogo pri hitrem prepoznavanju in prilagajanju učinkovin, ter omogoča konformacijske spremembe pomembne za biološki učinek. Z NMR in vibracijsko spektroskopijo bomo raziskali ta povsem nov vidik delovanja antibiotikov. Naše raziskave so pomembne, tako za načrtovanje novih biološko pomembnih učinkovin na osnovi vankomicina, kot za analizo vankomicinskih nečistoč. Nedavno odkrita rezistenca bakterij za vankomicin je še dodatno vzpodbudila raziskave mehanizma delovanja vankomicinskih antibiotikov. Vankomicin je namreč eden izmed zadnjih antibiotikov, ki še učinkovito delujejo proti življensko nevarnim infekcijam povzročenim s stafilokoki. Analiza nečistoč pa je potrebna za verifikacijo industrijskega postopka.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
