Projekti / Programi
Folding in dinamika biomolekularnih sistemov
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P351 |
Naravoslovno-matematične vede |
Strukturna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
Protein, peptid, peptidomimetik, membrana, zvitje (folding), napovedovanje strukture proteinov, računalniške simulacije, dinamika, NMR spektroskopija, vibracijska spektroskopija, rentgenska strukturna analiza, interakcije, elektrostatika, solvatacija, senčenje, vodikova vez, hidrofobnost, konformacijska entropija, protein design, NOE, NMR relaksacija, rezidualne dipolarne sklopitve, fleksibilnost, napovedovanje novih učinkovin.
Raziskovalci (15)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.982 |
Povzetek
Molekularno bistvo življenskih procesov je zaporedje nizkoenergijskih dogodkov, pri katerih je začetna stopnja medsebojno prepoznavanje biomolekul. Za prepoznavanje je poleg strukture biomolekul pomemben učinek okolice. Najbolj običajna okolica pri biološki prepoznavi je voda. Prav tako pomembna pa je tudi lipidna okolica v membranskih procesih. Nizkoenergijska raven bioloških procesov izvira iz narave sil, ki pogojujejo procese prepoznavanja tako pri strukturni molekularni organizaciji, kjer ni sprememb kovalentnih vezi, kot pri biokemijskih reakcijah, kjer gre za spremembe kovalentnih povezav. To pomeni, da je za razumevanje biološke strukturiranosti in funkcije nujno čim bolj natančno poznavanje narave in energetike nekovalentnih interakcij. Te interakcije so vodikova vez, elektrostatske interakcije, solvatacija, hidrofobnost, itd. Izmed številnih prepoznavnih procesov izstopa po pomembnosti in tudi kompleksnosti problem zvitja proteinov ('Protein Folding Problem'). Zvitje je proces pri katerem preide protein iz denaturiranega stanja v biološko aktivno nativno konformacijo. Za manjše enodomenske proteine je v sekvenci amino kislin, iz katerih je protein sestavljen, vsebovana vsa potrebna informacija za izgradnjo nativne konformacije. Problem zvitja proteinov pa je poiskati ključ po katerem ta sekvenca določa tridimenzionalno strukturo biološko aktivne konformacije.
Glavni cilj raziskovalnega programa je kvantitativno ovrednotenje nekovalentnih interakcij pri zvitju proteinov, tvorbi kompleksov ligand-receptor in biomolekula-membrana. Te interakcije bomo nato vgradili v računalniške simulacije zvitja proteinov in v algoritem za napovedovanje nativnih struktur proteinov. V preteklem obdobju smo odkrili, da senčenje vodikovih vezi in lokalnih elektrostatskih interakcij med polarnimi atomi glavne verige z dipoli vodnih molekul določa sekundarno strukturo proteinov ('electrostatic screening model', ESM). Odprto pa je ostalo vprašanje, katere interakcije povzročajo tvorbo terciarne in kvaternerne strukture proteinov. Te interakcije bomo raziskali s študijem zvitja manjših proteinov in modelnih peptidov z NMR spektroskopijo in vibracijsko spektroskopijo. Sekvenco amino kislin modelnih peptidov bomo spreminjali tako, da bomo selektivno vklapljali in izklapljali različne interakcije in s tem preverili naše hipoteze ('protein design'). Strukturo peptidov bomo določili z NMR in rentgensko strukturno analizo. Med nekovalentnimi interakcijami je še posebno pomembna vodikova vez predvsem zaradi relativno velikih energij in usmerjenosti. Strukturo in dinamiko vodikovih vezi v različnih medijih bomo raziskovali z vibracijsko spektroskopijo in drugimi metodami. Glavni pričakovani rezultat je natančen opis sistema pri prehodu protona z donorjev na akceptorje v odvisnosti od medija. V zadnjih letih se je pokazalo, da ima denaturirano stanje proteinov strukturo, ki je daleč od naključne ('random coil'). Nekateri proteini pa so biološko aktivni že v denaturiranem stanju. Z NMR, vibracijsko spektroskopijo in teoretskimi metodami bomo študirali strukturo denaturiranega stanja ter mehanizem denaturacije s kemijskimi denaturanti. Z NMR in vibracijsko spektroskopijo bomo raziskovali komplekse ligand - receptor in komplekse transmembranski receptor - učinkovina - membrana. S konformacijsko analizo sintetičnih peptidov in peptidnih mimetikov bomo študirali stereo-elektronske lastnosti njihovih farmakofor, ki so odločilne za učinkovito vezavo na receptor. V primeru membranskih receptorjev bomo raziskali interakcije učinkovina-membrana, ker lahko učinkovine dosežejo aktivno mesto receptorja šele po difuziji skozi membrano.
Pomen za razvoj znanosti
V zadnjih nekaj letih so bili odkriti genomi številnih organizmov, od virusov do človeka. Iz zaporedja baznih parov DNA so bili s pomočjo genske kode odkriti novi proteini, ki so temeljni gradniki žive celice in imajo pomembno vlogo. Žal pa za večino teh proteinov ne poznamo tridimenzionalnih struktur in bioloških funkcij. Za razumevanje delovanja celic bi morali poznati tridimenzionalne strukture in funkcije vseh proteinov, ki so zapisani v DNA. Določanje struktur proteinov z eksperimenti je izjemno drag in dolgotrajen postopek. Veliko hitreje in ceneje bi bilo napovedovati tridimenzionalne strukture proteinov s pomočjo računalniških algoritmov. Iz znanih tridimenzionalnih struktur je pogosto mogoče sklepati na biološke funkcije in druge lastnosti proteinov. Rešitev problema zvitja proteina je izredno pomembna zato, ker bo omogočila napovedovanje tridimenzionalnih struktur in v določenih primerih tudi funkcij proteinov, ki so zakodirani v genomih človeka in drugih organizmov. Pričakuje se, da bo imela rešitev problema zvitja proteinov izjemno močan vpliv na razvoj različnih področij znanosti, predvsem kemije, biologije in medicine. Za rešitev problema zvitja proteinov je ključno, da razvijemo tako potencialno polje, ki bo pravilno opisalo strukturo in dinamiko proteinov. Razumevanje zvitja proteinov na molekularnem nivoju bo imelo pomembno vlogo tudi pri odkrivanju vzrokov za nastanek mnogih bolezni, nekaterih zelo hudih npr.: Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen, diabetes tipa II, cistična fibroza, prionske bolezni, itd. Vzrok za nastanek teh bolezni je napačno zvitje proteinov v alternativne tridimenzionalne oblike ('misfolding'), ki niso funkcionalne. Uspešne metode za napovedovanje tridimenzionalnih struktur proteinov bodo postale nepogrešljivo orodje za modeliranje kompleksov ligand-receptor, encim-substrat in drugih proteinskih interakcij, kar bo omogočilo načrtovanje novih učinkovin. Pričakovani rezultati raziskav interakcij ligand-receptor bodo nudili osnovo za razvoj učinkovitejših metod za načrtovanje zdravilnih učinkovin. Razumeti moramo, kako dinamični procesi vplivajo na vezavo ligandov, da lahko razvijemo učinkovite strukturno-dinamično podprte metode za načrtovanje zdravilnih učinkovin. Ustrezna obravnava dinamičnih učinkov je 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
Predlagani raziskovalni program je izviren in temelji na naših dosedanjih raziskavah. Rezultati raziskav so bili objavljeni v najuglednejših mednarodnih znanstvenih revijah (Proc. Natl. Acad. Sci. USA; J. Am. Chem. Soc.; Phys. Rev. Lett.), kar dokazuje, da so naše raziskave v svetovnem vrhu. S temi rezultati promoviramo Slovenijo v svetovnih znanstvenih krogih. Raziskovalna skupina ima izkušnje, sposobnosti in potrebno opremo za izvedbo in uspešen zaključek načrtovanih študij. Na osnovi naših rezultatov smo pridobili industrijske projekte. Za farmacevtsko firmo Lek in Krka izvajamo vrsto projektov, kjer sodelujemo pri raziskavah novih biološko aktivnih učinkovin, kar zahteva uporabo najsodobnejših metodologij in instrumentalne opreme. Z razvojem in uporabo NMR in vibracijske spektroskopije rešujemo konkretne probleme s katerimi se pri proizvodnji in analizi produktov soočajo v farmacevtskih družbah Lek in Krka, kar ima direkten vpliv na razvojne projekte naših partnerjev iz farmacevtske industrije. Pri raziskavah ligand-receptor interakcij bomo izbrali receptorje za odkrivanje 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. Uspešne teoretske metode za napovedovanje tridimenzionalnih struktur proteinov bodo izjemno pospešile razvoj znanosti in vplivale na razvoj novih aplikacij v Sloveniji (predvsem v farmacevtskih firmah Lek in Krka). Teoretska rešitev problema zvitja proteinov bo imela največji vpliv na načrtovanje novih zdravil. Načrtovanje novih učinkovin je pogosto neuspešno zato, ker je za mnoge biomolekularne sisteme model delovanja učinkovin “ključ - ključavnica” preveč poenostavljen. Ob vezavi liganda na receptor se namreč poleg konformacije liganda pogosto spremeni tudi konformacija proteinskega receptorja. Z rešitvijo problema zvitja proteinov bomo lahko take spremembe napovedali z računalnikom, kar bo pocenilo razvoj in s tem proizvodnjo novih zdravil. Obvladovanje najzahtevnejših metod računalniških simulacij biomolekularnih sistemov, NMR in vibracijske spektroskopije je pomembno za utrjevanje nacionalne identitete. Z razvojem novih metod pa prispevamo k povečanju znanja na tistih področjih znanosti, ki so trenutno ključna za tehnološki napredek v svetu in s tem tudi v Sloveniji (proizvodnja novih zdravil, medicina, biotehnologija). Pri raziskavah sodelujejo mladi raziskovalci. Mladi raziskovalci pridobivajo znanje, ki je potrebno za izpeljavo temeljnih raziskovalnih projektov kot tudi razvojnih projektov v farmacevtski industriji. Naša skupina sodeluje pri mednarodnih eksperimentih CASP, kjer z raziskovalci s vsega sveta postopno izboljšujemo metode napovedovanja tridimenzionalnih struktur proteinov (CASP; 'Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction'; http://predictioncenter. gc.ucdavis.edu). Na CASP2 in CASP4 smo se uvrstili med najboljše v ab initio napovedovanju tridimenzionalnih struktur proteinov, kar je bilo nagrajeno z dvema vabljenima predavanjema.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
