Projekti / Programi
Molekularno prepoznavanje v bioloških sistemih
01. januar 1999
- 31. december 2003
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.05.00 |
Naravoslovje |
Biokemija in molekularna biologija |
|
| 1.09.00 |
Naravoslovje |
Farmacija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| P004 |
Naravoslovno-matematične vede |
Biokemija, presnova |
| B002 |
Biomedicinske vede |
Biofizika |
| B007 |
Biomedicinske vede |
Medicina (človek in vretenčarji) |
Molekularno prepoznavanje, imunski sistem, signalna veriga LPS, struktura proteinov, interakcije med proteini, propeptidi, genski inženiring, JMR, računalniško modeliranje, septični šok, načrtovanje zdravil
Raziskovalci (6)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.824 |
Povzetek
Molekularno prepoznavanje je ključno v vrsti pojavov v bioloških sistemih, kot so npr. asociacija proteinov, encimski mehanizmi in imunski odziv, ki jih kontrolirajo nekovalentne specifične interakcije. Težišče eksperimentalnega in teoretičnega dela na strukturi in termodinamski karakterizaciji nekovalentnih specifičnih interakcij molekul je v identifikaciji atomov ali skupin in fizikalni naravi interakcij, ki posredujejo stabilizacijo kompleksa. Osredotočili se bomo na dva sistema interkacij - na interakcije proteinov s sestavinami bakterijskih celičnih sten (glikolipidi in peptidoglikani), ki so ključne za delovanje vrojenega (innate) imunskega sistema, ter na interakcije med proteini, predvsem med propeptidi ali proteinskimi inhibitorji in encimi. V raziskavah bomo uporabljali multidisciplinarni pristop, ki vključuje tehnike molekularne biologije in biokemije, spektroskopije, predvsem JMR visoke ločljivosti in teoretsko-računske metode. Osnovni pogoj za delo na molekularnem prepoznavanju so strukturni podatki. Za določanje strukture biomakromolekul v raztopini, dinamike posameznih delov molekul in za študij vezave ligandov na bio-makromolekule bomo uporabili JMR v povezavi z računalniškimi simulacijami. Pri študiju molekulskega prepoznavanja s teoretsko računskimi pristopi bomo poleg JMR uporabljali tudi druge vire strukturne informacije. Molekularno-biološke tehnike bomo uporabili za pripravo proteinov in njihovih mutant, kar bo omogočalo ovrednotenje prispevka posameznih skupin, ki nastopajo v interakciji. V vrojenem imunskem sistemu receptorji prepoznavajo mikrobne sladkorje in druge sestavine celičnih sten. Za to prepoznavanje so odgovorne večje molekularne regije z različnim značajem (polarne, hidrofobne). Opredelili bomo vzorec molekularnih površin, ki posreduje specifičnost nekovalentnega vezanja LPS na receptorje celic imunskega sistema. Poglavitne molekule, ki jih bomo obravnavali, so lipopolisaharid (LPS) oziroma njegov aktivni del lipid A (signalna molekula), proteina LBP ter CD14 ("pattern recognition receptor", Janeway, Immunol. Today, 1992), CD1, L-selektin, polimiksini - peptidni antibiotiki in predvidoma adaptor receptorji Toll (C. Gerard, Nature, 1998). Poleg strukturnih informacij, ki jih bomo dobili z biokemijskimi in metodami JMR, bomo za določanje strukturnih motivov prepoznavanja uporabili tudi znane strukture drugih proteinov in peptidov, ki vežejo lipid A z visoko afiniteto. Kot drug sistem bomo proučevali interakcije med propeptidi ali proteinskimi inhibitorji in encimi. Propeptidi imajo pomembno vlogo pri regulaciji aktivnosti proteaz. Poleg delovanja kot inhibitorji encimov so potrebni za zvitje proteina v pravilno strukturo. Pred kratkim smo odkrili, da imajo tudi nekateri prosti propeptidi definirano strukturo. Z JMR nameravamo določiti prostorsko strukturo proteina CTLA-2, ki je homolog propeptida katepsina L in obstaja kot samostojen protein. Izmerili bomo spremembe v konformaciji propeptidov pod vplivom pH, kot ključnega elementa v aktivaciji encimov. Z različnimi mutantami propeptida bomo identificirali aminokisline, ki so pomembne za njihovo stabilnost, interakcije z encimom in spremembe v konformaciji, odvisne od pH. Pričakujemo, da bomo lahko osvetlili tudi fiziološko vlogo propeptidov kot samostojnih proteinov.
Pomen za razvoj znanosti
Medsebojno prepoznavanje molekul je prva faza samoorganizacije biomolekularnih sistemov, njih funkcije in regulacije. Določitev molekularnih determinant prepoznavanja in kvantifikacija v smislu korelacije med kvantitativnimi deskriptorji molekularne podobnosti,termodinamskih količin in biološke aktivnosti sodi med raziskovalne problematike, ki so v svetu v posebno živahnem razvoju. Pričakovani rezultati predlaganega raziskovalnega programa bodo predstavljali nov prispevek k a) razumevanju molekularnega mehanizma prenosa signala z LPS, ene najbolj pomembnih reakcij vrojenega imunskega sistema in b) k poznavanju mehanizmov zvitja, inhibicije in aktivacije encimov in k razumevanju fiziološke vloge propeptidov, ki se nahajajo v celicah, ki so ključne v imunskem sistemu (T-limfociti, mastociti). Poleg čisto fundamentalnega ima predlagani program tudi uporabni pomen. Pričakovanje, da načrtovano molekularno prepoznavanje lahko pripelje do novih tehnologij motivira veliko sodobnih raziskav po svetu (Molecular recognition, Chem. Rev. 1997, No. 4). Posebno vlogo ima molekularno prepoznavanje kompleksov protein-ligand v načrtovanju zdravil (R.E. Babine, S.L. Bender, Chem. Rev. 1997, No. 4). Razumevanje molekularnega mehanizma prenosa signala z LPS bo ustvarilo pogoje za načrtovanje zdravil proti septičnemu šoku, ki ga povzroča LPS.
Pomen za razvoj Slovenije
Pomen predlaganega programa za Slovenijo vidimo predvsem v:1. Kvalitetnemu in aktualnemu raziskovalnemu delu kot podlagi za mednarodno uvrstitev in povezovanje z razvitimi državami. Skupina je že vzpostavila stike z več laboratoriji po svetu, ki se ukvarjajo s problemom LPS in z nekaterimi smo sodelovanje že formalizirali (bilateralni sporazum z Nemčijo). Skupina je edina v Sloveniji usposobljena za pripravo izotopsko obeleženih proteinov in določanje njihove strukture z JMR (J. Jerala et al., J. Biol. Chem., 1998). 2. Vzpostavitev multidisciplinarnega sodelovanja med biokemijo ter strukturno kemijo z jedrsko magnetno resonanco in teoretično-računskimi metodami. V Sloveniji je dosedaj manjkala povezava med temi področji, s katero lahko vse veliko pridobijo v dopolnjevanju med eksperimentalnimi rezultati in analizo ter napovedmi teorije.3. Vzgoji kadrov. Program je izrazito interdisciplinaren in omogoča mladim raziskovalcem in postdoktorantom pridobivanje znanja iz molekularnega prepoznavanja in specializacijo in povezovanje metod iz biokemije, tehnik biomolekularne JMR in računalniškega modeliranja. 4. Relevantnost in potencialna uporabna vrednost za farmacevtsko industrijo: naše raziskave bodo osnova za razvoj učinkovin proti septičnemu šoku, ki je eden glavnih vzrokov smrtnosti tudi v razvitih deželah z več kot 150.000 smrtnimi primeri letno samo v ZDA. Vsaj 12 velikih farmacevtskih družb dela na razvoju teh učinkovin, na učinkovito zdravilo pa lahko računamo šele, ko bo pojasnjen mehanizem delovanja LPS. Problematika, na kateri dela naša skupina, je tudi sprejeta v program LEKa. Metode JMR v povezavi z računalniškimi pristopi, ki jih v skupini vpeljujemo in razvijamo, predstavljajo podlago za racionalno načrtovanje novih zdravil s pomočjo povezav med strukturo in aktivnostjo. V prihodnosti bo v farmacevtski industriji predvsem razvoj novih učinkovin predstavljal osnovo za visoko dodano vrednost.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
