Projekti / Programi
Simulacije molekulske dinamike nukleinskih kislin: struktura, dinamika in termodinamska stabilnost
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.01 |
Naravoslovje |
Kemija |
Fizikalna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P400 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizikalna kemija |
molekulska dinamika, nukleinske kisline, ožji kanal DNA, prosta energija, RNA lasnice, računalniške simulacije, statistična mehanika, termodinamika, interakcije ligand-DNA, razvoj zdravil
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
22603 |
dr. Jožica Dolenc |
Kemija |
Vodja |
2007 - 2008 |
52 |
Organizacije (1)
Povzetek
Namen podoktorskega raziskovalnega projekta je nadaljevanje raziskav strukture, dinamike in termodinamike deoksiribonukleinske kisline (DNA), ribonukleinske kisline (RNA) in interakcij ligand-DNA z uporabo računalniških simulacij molekulske dinamike (MD). Simulacije molekulske dinamike sodijo med najbolj natančne tehnike, ki so dandanes dostopne za molekulsko modeliranje makromolekul v raztopinah, saj omogočajo kvantitativen opis strukture in dinamike makromolekul na atomskem nivoju. V okviru podoktorskega raziskovalnega projekta predlagam naslednje raziskave: i) raziskave vloge vodikovih vezi in van der Waalsovih kontaktov za stabilnost kompleksov med majhnimi molekulami in ožjim kanalom DNA s simulacijami molekulske dinamike v eksplicitnem topilu. Majhne molekule, ki se vežejo v ožji kanal DNA vplivajo na prepis in podvajanje dvojne vijačnice in so velikega pomena pri razvoju novih zdravil; ii) računanje relativne proste energije vezave netropsina na številna bazna zaporedja v ožjem kanalu DNA s tehniko enostopenjske perturbacije. Termodinamika vezave netropsina v ožji kanal DNA je močno odvisna od zaporedja baz v vezavnem mestu. Tehnika enostopenjske perturbacije omogoča, da razlike v prosti energiji med serijo podobnih spojin izračunamo na osnovi ene same simulacije spojinam skupnega referenčnega stanja; iii) raziskava vpliva končnega baznega para na stabilnost RNA lasnic na osnovi simulacij molekulske dinamike. Lasnice sodijo med najpogostejšo sekundarno strukturo RNA in igrajo pomembno vlogo v številnih celičnih procesih. Znano je, da je njihova stabilnost odvisna od vrste baznega para, ki zaključuje zanko lasnice. Strukturne, dinamične in termodinamične lastnosti izračunane s simulacijami molekulske dinamike bi omogočile razlago razlik v stabilnosti RNA lasnic na mikroskopskem nivoju.
Pomen za razvoj znanosti
Z obsežnimi računalniškimi simulacijami molekulske dinamike kompleksov netropsina z dvojno vijačnico deoksiribonukleniske kisline (DNA) sem z uporabo metod enostopenjske perturbacije in termodinamske integracije določila odvisnost jakosti vezave netropsina od zaporedja baz v ožjem kanalu DNA. Eksperimentalno določene jakosti vezave netropsina v ožji kanal DNA so v strokovni literaturi objavljene le za nekaj baznih zaporedij, zato izračuni opravljeni v okviru podoktorskega projekta pomembno prispevajo k razumevanju vezave netropsin-DNA. Izračunane Gibbsove proste energije potrjujejo eksperimentalno opažanje, da prisotnost baznega para gvanin-citozin (GC) v sredini vezavega mesta vezavo netropsina oslabi obenem pa nadgrajujejo doslej poznane zakonitosti molekulskega prepoznavanja z rezultati, ki kažejo, da bazni par GC na koncu vezavnega mesta na vezavo netropsina bodisi ne vpliva ali pa ima ugoden vpliv. Z namenom razumeti fizikalne zakonitosti, ki določajo izračunano odvisnost jakosti vezave majhnih molekul od zaporedja baz v ožjem kanalu DNA, sem napravila strukturno in termodinamsko analizo vseh simuliranih kompleksov. Rezultati analize so pokazali, da jakosti vezave ligand-DNA ni mogoče razložiti le z vidika energijsko ugodnih/neugodnih interakcij med ligandom in DNA, kot so npr. vodikove vezi in van der Waalsovi kontakti, pač pa je potrebno poleg energijskih prispevkov upoštevati tudi entropijske prispevke k Gibbsovi prosti energiji vezanja. To opaženje je v literaturi pogosto omenjeno, le redko pa je kvantitativno ovrednoteno, saj je entropijske prispevke težko natančno določiti tako eksperimentalno kot tudi računsko. V okviru podoktorskega projekta sem energijske in entropijske prispevke k Gibbsovi prosti energiji vezave izračunala z uporabo dobro poznane a računsko zahtevne metode termodinamske integracije. Rezultati so pokazali, da je entropijski prispevek k Gibbsovi prosti energiji vezave netropsina v ožji kanal DNA močno odvisen od zaporedja baz v ožjem kanalu DNA in lahko v primeru nekaterih vezavnih mest postane celo enakovreden energijskemu prispevku. Kvantitativno ovrednotenje entropijskih sprememb pri tvorbi kompleksov ligand-DNA je velikega pomena za farmacevtsko industrijo, saj potrjuje, da je pri načrtovanju novih učinkovin potrebno upoštevati tudi fleksibilnost receptorja in liganda in ne le njunih medsebojnih interakcij.
Primerjava relativnih Gibbsovih prostih energij izračunanih s hitro metodo enostopenjske perturbacije, ki je namenjena predvsem uporabi v farmacevtski industriji, ter relativnih Gibbsovih prostih energij izračunanih z uveljavljeno in računsko zahtevno metodo termodinamske integracije, mi je omogočila oceno natančnosti metode enostopenjske perturbacije. Rezultati so pokazali, da metoda enostopenjske perturbacije omogoča dobro oceno jakosti vezave ligand-receptor, kadar so si ligandi oz. receptorji med seboj kemijsko zadosti podobni. V primeru večjih razlik med receptorji oz. ligandi rezultati metode enostopenjske perturbacije lahko postanejo nepredvidljivi, saj z enim samim referenčnim stanjem ni mogoče vzorčiti močno različnih realnih stanj.
Pomen za razvoj Slovenije
Računalniške simulacije so pomembno orodje na različnih področjih znanosti, kjer se srečujeta teorija in eksperiment. Na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani (FKKT, UL) se računalniške simulacije molekulske dinamike kemijskih in biokemijskih sistemov kot dopolnilo eksperimentalnim tehnikam redko uporabljajo. Podoktorski projekt, ki sem ga izvajala v sodelovanju z eno vodilnih skupin za biomolekularne simulacije, ki na Zvezni tehnični visoki šoli v Zürichu (ETHZ) deluje pod mentorstvom prof. W. F. van Gunsterena, je omogočil prenos novega znanja in pedagoških izkušenj iz tujine v Slovenijo kot tudi promocijo našega znanstvenega dela v tujini. Poleg tega so rezultat podoktorskega projekta pomembne znanstvene ugotovitve, ki dopolnjujejo eksperimentalno raziskovalno delo na Katedri za fizikalno kemijo, FKKT, UL, saj omogočajo razlago termodinamskih eksperimentalnih rezultatov na atomskem nivoju.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
