Projekti / Programi
Zanesljivi prvi prihodi in njihov pomen za celično signalizacijo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.07 |
Naravoslovje |
Fizika |
Biofizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
problem prvega prehoda, statistična fizika, fluktuacije, teorija linearnega odziva, celična signalizacija, molekularni transport, vezava na receptor
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
29487 |
dr. Aljaž Godec |
Fizika |
Vodja |
2016 - 2017 |
80 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
21.023 |
Povzetek
Intaktna celična signalizacija je za celico vitalnega pomena. Le-ta obsega številne med seboj sklopljene procese, ki povezujejo transport signalnih molekul ter njihovo vezavo z tarčo. Signalizacijski procesi se pogosto odvijajo pri izjemno nizkih koncentracijah molekul, kar vodi do znatnih fluktuacij v dinamiki ter natančnosti signalnih poti. Temu navkljub pa so znotrjajcelične signalne poti regulirane z izjemno natančnostjo. Moderne eksperimentalne metode sledenja posameznih molekul v celici pa so razkrile, da se znotrajcelični tranport bistveno razlikuje od transporta v raztopinah, saj je pogosto prostorsko in/ali mehanizemsko heterogen. Prostorska heterogenost pasivne difuzije je posledica heterogene sestave celice, mehanizemska heterogenost pa je posledica prehodne vezave na različne mirujoče ali dinamične celične strukture (npr. molekulske motorje in/ali ostale makromolekule ali organele). Slednja vodi do naključnega preklapljanja med različnimi načini transporta, t.j. med difuzijo in aktivnim usmerjenim transportom ali med difuzijo in fazami imobilizacije. Pomen ter posledice omenjene dinamične heterogenosti znotrajceličnega transporta za hitrost ter natančnost celične signalizacije pa niso poznane.
V ta namen bomo v projektu analizirali hitrost in natančnost enostavnih generičnih a reprezentativnih modelov celičnih signalih poti s heterogenim transportom signalnih molekul. Namen raziskav je pridobiti bazično fizikalno razumevanje dinamike sklopitve heterogenega transporta z vezavo na tarče. Cilj predlaganih raziskav so analitični rezultati, ki bodo identificirali ter kvantificirali fizikalne parametre, ki določajo oz. omejujejo hitrost in natančnost enostavnih generičnih modelov celičnih signalih poti. Obravnavali bomo hitrost in natančnost tako efektivno reverzibilnih kot ireverzibilnih signalnih poti, prvo v obliki analize statistike prvih prehodov do tarče, in slednjo v obliki fluktuacij zasedenosti tarče v ravnovesju. Zanima nas tudi optimizacija transporta za dosego maksimalne hitrosti oz. minimalnih fluktuacij. Iz matematičnega stališča projekt zajema analizo sistemov sklopljenih parcialnih diferencialnih ter parcialnih intergo-diferencialnih enačb, uporabo metod asimptotične analize ter teorijo linearnega odziva v relaksirajočih dinamičnih sistemih. Analitične metode bomo preverili ter podprli z numeričnimi simulacijami.
Temeljna vprašanja, na katera bodo odgovorile raziskave, so: V kakšnih okoliščinah lahko prostorsko/časovno heterogen transport omogoči hitrejšo ali bolj natančno signalizacijo? Ali lahko receptorji preštejejo signalne molekule natančneje, če se le-te gibljejo prostorsko/časovno heterogeno? So teoretično napovedani optimalni parametri kompatibilni z eksperimentalno ugotovljenimi vrednostmi? Pri obravnavi problematike bomo razvili tudi nove matematično-fizikalne pristope, ki bodo uporabni tudi v drugih vejah statistične, kemijske in/ali matematične fizike. Rezultati pa bodo prvič ponudili tudi oceno zmogljivosti najnovejših molekularnih diagnostičnih metod, ki temeljijo na aktivnem transportu s pomočjo molekularnih motorjev. Omenjene metode obetajo revolucijo v molekularni diagnostiki, ki pa še zaenkrat ni bila udejanjena. S preliminarnimi rezultati pa smo sicer že nakazali, da je znatno povečana zmogljivosti omenjenih diagnostičnih metod fizikalno utemeljena. Poglobljeno fizikalno razumevanje s kompleksnim transportom sklopljene interakcije z biokemijskimi receptorji torej predstavlja teoretično osnovo za ciljani razvoj in optimizacijo molekularnih diagnostičnih metod nove generacije.
Pomen za razvoj znanosti
Moderne eksperimentalne metode nam omogočajo slediti posameznim molekulam v živih celicah in tako dajejo vpogled v molekularne procese signalizacije in vivo. Tovrstne metode odkrivajo znatne statistične fluktuacije v gibanju posameznih signalnih molekul. Temu navkljub pa so celične signalne poti regulirane izjemno natančno. Zato je potrebno klasične koncepte biokemijske kinetike, ki temeljijo na povprečni reakcijski hitrosti, razširiti tako, da vključujejo celotno statistiko reaktivnih trkov. Teoretični rezultati pridobljeni v sklopu projekta ponudijo kvantitativno osnovo za razvoj metod in analizo rezultatov masivnih meritev dinamike prvega prehoda v celicah in kemijskih nanoreaktorjih na nivoju posameznih molekul. Reakcijska kinetika v limiti 'Kdor prvi pride', ki jo predstavimo v rezultatih projekta, skupaj z univerzalnim efektom bližine dopolnjuje kinetiko v termodinamski limiti, ki jo lahko ustrezno ovrednotimo s koncepti povprečnega časa prvega prehoda. Rezultati projekta prinašajo pomembne posledice za interpretacijo eksperimentov (bio)kemijskih reakcij ter molekularne vezave na nivoju posameznih molekul, ki dajejo direktni vpogled v limito 'kdor prvi pride'. Reakcijsko kinetiko namreč paradigmatično poenostavimo na nivo povprečnih vrednosti, kar je smiselno, ko nas zanima režim, kjer mora reagirati večina molekul. V nasprotnem primeru, ko zadošča že zgolj eden od kopica prvih reaktivnih dogodkov oz. trkov, kot npr. pri vezavi transkripcijskih faktorjev na tarče, kar odloči o celičnem odzivu, ali v fosforilacijskih kaskadah v celični transdukciji signalov, ki potujejo proti celičnemu jedru, pa pridobljeni rezultati pokažejo, da so ključne direktne, tipične reaktivne trajektorije. V tej limiti koncepti, ki temeljijo na povprečnem času prvega prehoda, masovno podcenjujejo hitrost ter natančnost eksperimentalno opažene signalizacijske kinetike in tako vodijo do napačnih parametrov in zaključkov. Slednji so potencirani, kadar je govora o signalizacijskih kaskadah. Z drugimi besedami, tradicionalni koncept hitrostne konstante reakcije poznan iz t.i. 'bulk'/termodinamske limite, na nivoju posameznih molekul oz. v limiti 'kdor prvi pride' enostavno več ne obstaja. Univerzalnost efekta bližine v kinetiki naključnih iskalnih procesov, ki omogoča časovno fokusiranje molekulski signalov, skupaj z ostalimi rezultati, ki smo jih pridobili v sklopu projekta, postavljajo pod vprašaj obstoječe razumevanje biokemijskih reakcij v celicah, in dajejo osnovo za razvoj novih, bolj realističnih modelov molekularne regulatorne kinetike v limiti visokih razredčenj, t.j. v limiti 'kdor prvi pride'.
Pomen za razvoj Slovenije
Izsledki izvedenih raziskav kot prvi ponujajo oceno zmogljivosti najnovejših molekularnih diagnostičnih metod, ki temeljijo na aktivnem intermitentnem transportu. Le-te sicer obetajo revolucijo v molekularni diagnostiki, ki pa še zaenkrat ni bila udejanjena. Poglobljeno fizikalno razumevanje s kompleksnim transportom sklopljene interakcije z biokemijskimi receptorji pa predstavlja teoretično osnovo za ciljan razvoj in optimizacijo molekularnih diagnostičnih metod nove generacije. Ker člani Laboratorija za molekularno modeliranje sodelujemo s slovensko farmacevtsko industrijo, t.j., z Lekom (Sandoz) in Krko, predvidevamo, da bodo rezultati naših raziskav potencialno zanimivi tudi za farmacevtsko industrijo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
