Projekti / Programi
Folding in dinamika biomolekularnih sistemov
01. januar 2015
- 31. december 2018
| 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, zvitje proteinov, napovedovanje struktur proteinov, računalniške simulacije, dinamika, NMR spektroskopija, vibracijska spektroskopija, nekovalentne interakcije, elektrostatsko senčenje, solvatacija, vodikova vez, hidrofobnost, fleksibilnost, napovedovanje novih učinkovin
Raziskovalci (12)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.996 |
Povzetek
Zvitje proteinov je proces pri katerem preide protein iz denaturiranega stanja v biološko aktivne nativne konformacije. Manjši monomerni in v vodi topni proteini se lahko večkrat zvijejo v nativno stanje in razvijejo in vitro, brez dodatnih biokemičnih mehanizmov, ki so prisotni v celicah. Za te proteine je zato v sekvenci aminokislinskih ostankov in v pogojih okolice vsebovana vsa potrebna informacija za izgradnjo tridimenzionalnih struktur nativnih konformacij. Način, kako se ta informacija uporabi pri zvitju, še ni pojasnjen. To je problem zvitja proteinov. Revija Science je problem zvitja proteinov uvrstila med 125 ključnih problemov znanosti (Science, 2005, 309, 78). Razumevanje zvitja proteinov na molekularnem nivoju bo imelo pomembno vlogo pri odkrivanju vzrokov za nastanek številnih bolezni, ki so posledica napačnega zvitja in pri odkrivanju metod zdravljenja le teh.
Glavni cilj raziskovalnega programa je kvantitativno ovrednotenje energetike tistih nekovalentnih interakcij, ki sodelujejo pri zvitju proteinov in vezavi ligandov na receptorje. Poznavanje narave in energetike teh interakcij je, kljub velikemu številu študij, še vedno pomanjkljivo. Nova spoznanja na tem področju bodo morda ključnega pomena za dokončno rešitev problema zvitja proteinov. V preteklem raziskovalnem obdobju smo odkrili, da imajo najmanjši peptidi (dipeptidi) strukture, ki so zelo podobne strukturam aminokislinskih ostankov v proteinih. To odkritje omogoča razvoj povsem novega potencialnega polja za napovedovanje struktur proteinov z računalniki, ki bo baziral na strukturah peptidov v vodni raztopini. Prispevke posameznih interakcij k energiji proteina bomo določili iz konformacijskih ravnotežnih konstant, ki jih bomo izmerili z vibracijsko in NMR spektroskopijo. Te prispevke bomo nato postopoma vgrajevali v novo potencialno polje.
Med nekovalentnimi interakcijami se bomo še posebej osredotočili na vodikove vezi in hidrofobne interakcije. Energetiko vodikovih vezi bomo študirali s pomočjo eksperimentalnih podatkov stabilnosti mutantov 'amid v ester', ki kažejo na dominantno vlogo vodikovih vezi pri zvitju proteinov. Večina raziskovalcev zvitja proteinov pa meni, da so hidrofobne interakcije glavna gonilna sila pri zvitju proteinov. Še vedno ni povsem jasno, kaj je razlog za te interakcije na molekularnem nivoju. Hidrofobne interakcije bomo študirali z vibracijsko spektroskopijo in teoretskimi metodami. Z NMR, vibracijsko spektroskopijo in simulacijami molekularne dinamike bomo ovrednotili gibljivost ligandov in receptorjev v prostem in vezanem stanju in raziskali vpliv gibljivosti na stabilnost interakcij ligand-receptor. Študirali bomo mehanizme tvorbe amiloidnih vlaken in iskali možnosti, kako tvorbo vlaken zavirati ali celo preprečiti. V primeru točkovnih mutacij, ki vodijo do nepravilnega zvitja, pa bomo preučevali vlogo različnih šaperonov, ki se uporabljajo v klinični praksi. S kombinacijo teoretičnih in eksperimentalnih metod bomo preučevali splošne molekularne mehanizme delovanja proteinov.
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
2015,
2016,
2017,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
2016,
2017,
zaključno poročilo
