Projekti / Programi
Kemijska karcinogeneza - Računalniški pristop
| 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 |
biomolekularne simulacije, izračuni proste energije, aflatoksini, citokromi P450, DNA polimeraze, biokemijska kooperativnost, DNA kataliza, dolgoživost DNA aduktov, zanesljivost podvajanja DNA, lovilci kemijskih karcinogenov, mikrovalovni efekti
Raziskovalci (23)
Organizacije (5)
Povzetek
Predlagani raziskovalni projekt uvaja sodobne tehnike molekularnega modeliranja na zapostavljeno področje kemijske karcinogeneze s kombiniranjem ab initio, mešanih kvantno-mehanskih/molekulsko-mehanskih (QM/MM) ter empiričnih opisov solvatiranih biomolekulskih sistemov s simulacijami molekulske dinamike in Monte Carlo ter s prosto-energijskimi izračuni, da bi razjasnil molekulsko osnovo kemijske kancerogenosti. Aflatoksin B1 – eden najmočnejših mutagenov vpletenih v človeško karcinogenezo in eno osrednjih zdravstvenih tveganj številnih držav razvijajočega sveta – nam bo služil kot tipični primer. Naslovili bomo biomolekulsko kooperativnost, DNA katalizo, dolgoživost DNA aduktov in zanesljivost podvajanja DNA – pomembne pojave, ki še vedno čakajo na ustrezno mehanistično interpretacijo. Na vsakem koraku bomo iskali eksperimentalno potrditev izračunanih rezultatov s strani naših dolgoletnih sodelavcev ter jo v povratni zanki uporabili za optimizacijo parametrov empiričnih prosto-energijskih metod ter posledično širili doseg uporabljenih računalniških simulacijskih tehnik. Rezultirajoče zanesljivo in silico okolje bo ponujalo mehanistični vpogled na nivoju, ki je eksperimentu nedosegljiv, in bo nudilo znatne prednosti pred eksperimentalnim delom, ki je na področju kemijske karcinogeneze neobhodno povezano z visokimi zdravstvenimi in okoljskimi tveganji. Hkrati nameravamo s prvih principov simulirati reakcije med kemijskimi karcinogeni ter polifenoli, ki so kot naravni lovilci kemijskih karcinogenov v znatnih količinah prisotni v sadju in sadnih ekstraktih. Če želimo preprečiti poškodbo DNA, mora namreč kemijski karcinogen z naravnim lovilcem reagirati hitreje kot z DNA. Ker aktivacijska prosta energija predstavlja direktno merilo reaktivnosti, mora reakcija kemijskega karcinogena z lovilcem imeti nižjo aktivacijsko pregrado od konkurenčne reakcije z DNA. Dolgoročni cilj je najti dober naravni lovilec kemijskih karcinogenov, ki bi po nadaljnji optimizaciji služil kot prehranski dodatek. Prepričani smo, da bodo tovrstne raziskave znatno pripomogle k preprečevanju raka – zelo pomembnemu področju, ki pa je dandanašnji žal vse prepogosto spregledano. Ker uporabo mikrovalovnega segrevanja v znanstveni literaturi spremljajo številna poročila o pospešitvi kemijskih reakcij (mikrovalovni katalizi), nas nadalje skrbi možnost mikrovalovno povečane reaktivnosti kemijskih karcinogenov. Na to pereče vprašanje je potreben čimprejšnji odgovor, saj mikrovalovno sevanje, ki ga med drugim oddajajo mobilni telefoni, radarji, sateliti, brezžična omrežja, GPS naprave in gospodinjski aparati, predstavlja znaten del elektromagnetnega smoga. Zatorej bomo reakcije med kemijskimi karcinogeni ter DNA obravnavali v kontekstu našega nedavno predlaganega fizikalnega mehanizma mikrovalovne katalize osnovanega na rotacijsko vzbujenih polarnih reakcijskih zvrsteh. V kolikor se bo izkazalo, da mikrovalovi resnično katalizirajo poškodbe DNA s kemijskimi karcinogeni, bi to ponudilo fiziološko osnovo za predlansko uvrstitev mikrovalov na seznam človeku potencialno kancerogenih dejavnikov Svetovne zdravstvene organizacije. Posledično bi morali ponovno pretehtati veljavne varnostne standarde za mikrovalovno opremo, saj so le ti osnovani zgolj na ravnotežnem segrevanju tkiv.
Pomen za razvoj znanosti
Zaključeni raziskovalni projekt uvaja sodobne tehnike molekularnega modeliranja na zapostavljeno področje kemijske karcinogeneze s kombiniranjem ab initio, mešanih QM/MM ter empiričnih opisov solvatiranih biomolekulskih sistemov s simulacijami MD in MC ter s prosto-energijskimi izračuni. Računalniške simulacije omogočajo atomistični vpogled v biokemijske procese na karakterističnih časovnih skalah, nudijo dostop do kontroliranih pogojev izven dosega eksperimenta ter dajejo rezultate na hiter in stroškovno učinkovit način. Po drugi strani pa želimo poudariti, da se zavedamo znatnih omejitev inherentnih vsem metodam molekularnega modeliranja in da smo vseskozi iskali eksperimentalno potrditev izračunanih rezultatov s strani naših dolgoletnih sodelavcev. Trdno namreč verjamemo, da zgolj teorija z roko v roki z eksperimentom izvedenim v kontroliranih in silico ter in vitro pogojih lahko pojasni molekularne osnove pomembnih pojavov biokemijske kooperativnosti, DNA katalize, dolgoživosti DNA aduktov in zanesljivosti podvajanja DNA, ki še vedno čakajo na ustrezno mehanistično interpretacijo. Še več, eksperimentalne rezultate smo v povratni zanki uporabili za optimizacijo parametrov empiričnih prosto-energijskih metod ter posledično širili doseg uporabljenih računalniških simulacijskih tehnik. Rezultirajoča zanesljiva in silico platforma pomaga pojasniti molekularno osnovo kemijske kancerogenosti ter nudi znatne prednosti pred eksperimentalnim delom, ki je na področju kemijske karcinogeneze neobhodno povezano z visokimi zdravstvenimi in okoljskimi tveganji. Na področju metodologije bi radi poudarili našo iznajdbo kombinacije MC simulacije in analitične rešitve za opis mikrovalovne katalize ter integratorja SISM, ki skupaj z simulacijami MD omogoča razcep posameznih prostostnih stopenj molekul vode in s tem pojasni vpliv mikrovalov na hidratacijo prototipičnih topljencev. Oba pristopa predstavljata prvi računalniški orodji na področju mikrovalovne kemije in zahtevata nadaljnji razvoj za obravnavo biomolekularnih sistemov. Novi metodološki tehniki third-power fitting in BRFE pa bosta svojo uporabo zelo verjetno našli tudi izven biomolekularnih simulacij na področjih razvoja materialov in kemijskega inženirstva. Rezultati našega dela so bili objavljeni v vrhunskih znanstvenih revijah ter predstavljeni na mednarodnih znanstvenih konferencah. Zaradi večjega dosega smo se poslužili tudi objav v revijah prostega dostopa. Dostop do tujih znanj je bil zagotovljen skozi sodelovanje s profesorji Frederick-om Peter-om Guengerich-em (direktorjem Center in Molecular Toxicology, Vanderbilt University School of Medicine in nagrajencem American Association for Cancer Research za izjemne dosežke v raziskavah kemije raka), Arieh-om Warshel-om (predstojnikom Laboratory of Theoretical Chemisty and Biophysics, University of Southern California in Nobelovim nagrajancem za kemijo), Chris-om Oostenbrink-om (predstojnikom Institute for Molecular Modeling and Simulation, University of Natural Resources and Life Sciences Vienna ter prejemnikom prestižne ERC Starting Grant) ter Jan-om Florian-om (predstojnikom Laboratory of Biomolecular Simulations, Loyola University Chicago). Slovensko znanost pa smo člani projektne promovirali v funkcijah strokovnega izvedenca Združenih narodov za področji kombinatorne kemije ter racionalnega načrtovanja zdravilnih učinkovin (prof.dr. Urban Bren), urednice prestižne revije Scientific Reports, Nature Publishing Group (prof.dr. Damjana Rozman) ter urednice izjemne mednarodne znanstvene revije Journal of Chemical Information and Modeling, An American Chemical Society Publication (prof.dr. Dušanka Janežič).
Pomen za razvoj Slovenije
Zaključeni raziskovalni projekt bo imel direkten vpliv na področji zdravja ter varnosti živil, ki predstavljata vsebinski prioriteti Resolucije o raziskovalnem in razvojnem programu Republike Slovenije. Čeprav rak skupaj s koronarnimi boleznimi vzame največ človeških življenj, je njegovo zdravljenje povsem odvisno od pogosto neučinkovite in visoko toksične kemo- oziroma radioterapije, medtem ko področje preprečevanja raka ostaja neupravičeno spregledano. Vseeno je treba priznati, da v zadnjem času s poudarjanjem pomena zdravega načina življenja in z razvojem cepiva proti človeškemu papilloma virusu prihaja do odmika od opisanega splošnega trenda. V zaključenem raziskovalnem projektu smo s testiranjem učinkovitosti naravnih lovilcev končnih karcinogenov kot zaščite pred poškodbami dednega materiala področje preprečevanja raka še dodatno okrepili. Dolgoročni cilj je najti ustrezen naravni lovilec končnih karcinogenov, ki bi po nadaljnji optimizaciji kemijske reaktivnosti in ADMET lastnosti služil kot profilaktično sredstvo ter se uporabljal kot prehranski dodatek. V kasnejših fazah procesa razvoja funkcionalnega dodatka bi se za finančno in strokovno znanje morali nasloniti na slovensko živilsko industrijo – preliminarno sodelovanje z Ljubljanskimi mlekarnami je že steklo. Sočasno želimo pojasniti fizikalni mehanizem mikrovalovne katalize, ki navkljub številnim špekulacijam v znanstveni in poljudni literaturi še ni zadovoljivo pojasnjen. Ta prispevek ponuja nove perspektive na interakcijo živih organizmov z mikrovalovnim sevanjem v kontekstu vseprisotnih mobilne telefonije, brezžičnih omrežij, radarjev, satelitov, GPS in gospodinjskih aparatov, saj spremenjena biokemijska reaktivnost lahko vodi do nastanka raka ter ker pospešeno zvijanje in agregacijo proteinov v splošnem povezujemo z nevrodegenerativnimi obolenji ter nekaterimi vrstami raka – naprimer z amiloidozo. Posledično bi morali ponovno pretehtati veljavne varnostne standarde za mikrovalovno opremo, saj so le ti osnovani zgolj na ravnotežnem segrevanju tkiv. Nadalje pa je mehanistična interpretacija mikrovalovne katalize neobhodna za optimizacijo sinteznih procesov z ustrezno izbiro reakcijskega medija, jakosti in frekvence mikrovalovnega valovanja. Nenazadnje pa bo tudi razumevanje molekularnih osnov pozitivne kooperativnosti CYP3A4 – encima vpletenega v metabolizem več kot 50% na trgu prisotnih zdravil – pomagalo zmanjšati neželene interakcije med zdravilnimi učinkovinami. Zaključeni raziskovalni projekt je posredno vplival še na področje vzgoje in izobraževanja. Svoja znanstvena dognanja smo razširjali na predavanjih podiplomskim študentom interdisciplinarnih programov Biomedicina, Bioinformatika in Kemija, zainteresirano javnost pa smo obveščali z organizacijo okroglih miz, dajanjem radijskih in televizijskih intervjujev ter z objavo poljudnoznanstvenih člankov. Sočasno je projekt pripomogel tudi k razvoju visoko kompetenčnih kadrov, saj so na njem delali mladi raziskovalci vseh petih sodelujočih raziskovalnih organizacij. Slovenijo in slovensko znanost pa smo nenazadnje promovirali v funkcijah strokovnega izvedenca Združenih narodov za področji kombinatorne kemije ter racionalnega načrtovanja zdravilnih učinkovin (odgovorni nosilec), slovenske predstavnice mreže ELIXIR v European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) (prof.dr. Damjana Rozman), vodje mednarodnih COST in NATO projektov (prof.dr. Nataša Poklar Ulrih) ter urednice izjemne mednarodne znanstvene revije Journal of Chemical Information and Modeling, An American Chemical Society Publication (prof.dr. Dušanka Janežič).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
