Razvoj računalniških algoritmov za napovedovanje vezavnih mest pri raziskovanju v farmaciji
natisniNaslov projekta:
Razvoj računalniških algoritmov za napovedovanje vezavnih mest pri raziskovanju v farmaciji
prof. dr. Dušanka Janežič
UP FAMNIT
Javna agencija RS za raziskovalno dejavnost (ARRS)
Znanstveno-raziskovalno sodelovanje med RS in Japonsko
1.07 - Naravoslovje / Računsko intenzivne metode in aplikacije
1.4.2016 - 31.3.2018
Predstavitev projekta:
Razvoj metod za molekulsko modeliranje za študij interakcij med proteini in različnimi molekulami je vse bolj aktualen, poganjajo pa ga nenehne izboljšave računalniške tehnologije. Vezavna mesta na proteinih so deli površin proteinov, s katerimi proteini vežejo druge molekule. Vezavna mesta običajno vežejo molekule, ki so določene s strukturo vezavnega mesta, in so specifične za vsako posamezno vezavno mesto. Te so lahko ioni, proteini, nukleinske kisline, oziroma male organske molekule. Zaradi te specifičnosti vezave se vezavna mesta ohranjajo skozi evolucijo, predvsem njihova struktura. Posledica te ohranjenosti pa je, da so si vezavna mesta podobna v proteinih, ki opravljajo sorodne biokemijske funkcije, to je, vežejo podobne molekule. Kljub hitro rastočemu številu znanih proteinskih struktur v proteinski banki, se še vedno ne ve veliko o podobnostih med vezavnimi mesti na teh proteinih. V zadnjem času se uveljavlja ideja, da je odkrivanje teh podobnosti lahko uporabno za razvoj zdravil. Tako so pred kratkim ugotovili, da nekateri inhibitorji, ki se uporabljajo pri zdravljenju raka, izkazujejo tudi protibakterijsko delovanje. Do tega spoznanja so prišli s primerjavo vezavnih mest proteinov udeleženih pri nastanku raku in proteinov, ki omogočajo razvoj bakterijske celične stene, ter ugotovitvijo, da so si podobna.
Metode, s katerimi se trenutno primerja proteinska vezavna mesta, imajo še vedno nekaj pomanjkljivosti, tako na primer ne upoštevajo, kako se vezavna mesta spreminjajo ob vezavi molekul ligandov, to je dinamike vezavnih mest. Obstajajo lahko namreč razlike v dinamiki vezavnih mest, ki se pokažejo šele ob vezavi molekule liganda, na primer pride do prerazporeditve atomov v vezavnem mestu, česar pa s statično obravnavo vezavnih mest ne moremo napovedati. Kljub podobnosti dveh vezavnih mest, se zaradi razlik v njuni dinamiki, molekule, ki se vežejo v eno, pogosto ne vežejo v drugo vezavno mesto. Zato je pomembno združevati statično in dinamično obravnavo proteinov. Dinamična obravnava, ki jo predstavlja molekulska dinamika, med drugim omogoča izračun proste energije vezave molekul v napovedana vezavna mesta.
Splošno uveljavljena strategija pri razvoju metod za napovedovanje proteinskih vezavnih mest je, da s pomočjo analize lastnosti proteinske površine za množico znanih proteinov določimo parametre, s pomočjo katerih je moč razločevati med proteinskimi vezavnimi mesti in ostalimi deli površine proteinov. Razvoj naših algoritmov za napovedovanje proteinskih vezavnih mest pa sloni na ideji, da najbolj ohranjeni del površine proteina v smislu ohranjanja fizikalno-kemijskih lastnosti, sovpada z vezavnim mestom za ligande ali pa z vezavnim mestom proteina z drugim proteinom. Razvili smo lasten algoritem za lokalno strukturno primerjavo in prileganje proteinov ProBiS (Protein Binding Sites = Proteinska vezavna mesta), ki omogoča določanje stopnje ohranjenosti za vsako aminokislino na površini proteina, s tem pa tudi določitev vezavnih mest. Ker je površina proteina na mestu vezave z drugim proteinom ponavadi bolj ravna kot v vezavnih mestih za male organske molekule, ki se navadno nahajajo v votlinah znotraj proteina, je ta vezavna mesta z obstoječimi pristopi tudi težje napovedati. Naš algoritem lahko napoveduje tudi vezavna mesta na ravnih površinah, zaradi česar lahko z našim pristopom napovedujemo proteinska vezavna mesta bolj nepristransko kot z drugimi znanimi metodami.
ProBiS algoritem se razlikuje od večine programov za iskanje strukturnih podobnosti v tem, da zna podobnosti najti tudi v primerih, ko se primerjani proteini razlikujejo v svojem splošnem zvitju, a imajo skupna podobna vezavna mesta. Razvita orodja omogočajo napovedovanje vezavnih mest in iskanje tem mestom podobnih vezavnih mest v proteinski bazi. Omogočajo tudi napovedovanje vezave molekul na dani protein, to je, napovedovanje biološke aktivnosti molekul, kar je uporabno predvsem v razvoju novih zdravil.
Nameravamo izpeljati nove metodološke rešitve za napovedovanje in preučevanje proteinskih vezavnih mest, ki temeljijo na pristopih teorije grafov, matematične kemije, v povezavi z metodami za simulacijo molekulske dinamike. Proteinska vezavna mesta so v zadnjem času predmet intenzivnih raziskav, predvsem zaradi njihove ključne vloge pri načrtovanju novih zdravil, pa tudi spoznanja, da so celični procesi v veliki meri odvisni od interakcij endogenih molekul z vezavnimi mesti. Za razvoj novih zdravil je pomembna predvsem struktura vezavnih mest in njihova dinamika, to je, kako se njihova struktura spreminja v času, na primer ob vezavi molekule. Proučevanje vezavnih mest spodbuja tudi razvoj strukturne genomike, znanstvenega področja, katerega cilj je določitev tridimenzionalnih struktur proteinov za vse obstoječe proteine kot tudi določitev bioloških funkcij teh proteinov. Slednje pa je pogojeno s poznavanjem proteinskih vezavnih mest. Zato narašča potreba po razvoju računskih pristopov, ki bodo hitro in natančno napovedovali vezavna mesta na teh proteinih.
Eden izmed ciljev projekta je združitev spletnega strežnika ProBiS z metodami molekulske dinamike v novo spletno orodje, ki bo raziskovalcem omogočalo napovedovanje biološko aktivnih molekul in študij njihove dinamike v napovedanih vezavnih mestih, pri čemer bo dinamika pomembna za določitev proste energije vezave. Novo spletno orodje bo združevalo dve med seboj zelo različni področji, to je, teorijo grafov in molekulsko dinamiko, ki sta naši glavni raziskovalni temi že vrsto let.
Metode, s katerimi se trenutno primerja proteinska vezavna mesta, imajo še vedno nekaj pomanjkljivosti, tako na primer ne upoštevajo, kako se vezavna mesta spreminjajo ob vezavi molekul ligandov, to je dinamike vezavnih mest. Obstajajo lahko namreč razlike v dinamiki vezavnih mest, ki se pokažejo šele ob vezavi molekule liganda, na primer pride do prerazporeditve atomov v vezavnem mestu, česar pa s statično obravnavo vezavnih mest ne moremo napovedati. Kljub podobnosti dveh vezavnih mest, se zaradi razlik v njuni dinamiki, molekule, ki se vežejo v eno, pogosto ne vežejo v drugo vezavno mesto. Zato je pomembno združevati statično in dinamično obravnavo proteinov. Dinamična obravnava, ki jo predstavlja molekulska dinamika, med drugim omogoča izračun proste energije vezave molekul v napovedana vezavna mesta.
Splošno uveljavljena strategija pri razvoju metod za napovedovanje proteinskih vezavnih mest je, da s pomočjo analize lastnosti proteinske površine za množico znanih proteinov določimo parametre, s pomočjo katerih je moč razločevati med proteinskimi vezavnimi mesti in ostalimi deli površine proteinov. Razvoj naših algoritmov za napovedovanje proteinskih vezavnih mest pa sloni na ideji, da najbolj ohranjeni del površine proteina v smislu ohranjanja fizikalno-kemijskih lastnosti, sovpada z vezavnim mestom za ligande ali pa z vezavnim mestom proteina z drugim proteinom. Razvili smo lasten algoritem za lokalno strukturno primerjavo in prileganje proteinov ProBiS (Protein Binding Sites = Proteinska vezavna mesta), ki omogoča določanje stopnje ohranjenosti za vsako aminokislino na površini proteina, s tem pa tudi določitev vezavnih mest. Ker je površina proteina na mestu vezave z drugim proteinom ponavadi bolj ravna kot v vezavnih mestih za male organske molekule, ki se navadno nahajajo v votlinah znotraj proteina, je ta vezavna mesta z obstoječimi pristopi tudi težje napovedati. Naš algoritem lahko napoveduje tudi vezavna mesta na ravnih površinah, zaradi česar lahko z našim pristopom napovedujemo proteinska vezavna mesta bolj nepristransko kot z drugimi znanimi metodami.
ProBiS algoritem se razlikuje od večine programov za iskanje strukturnih podobnosti v tem, da zna podobnosti najti tudi v primerih, ko se primerjani proteini razlikujejo v svojem splošnem zvitju, a imajo skupna podobna vezavna mesta. Razvita orodja omogočajo napovedovanje vezavnih mest in iskanje tem mestom podobnih vezavnih mest v proteinski bazi. Omogočajo tudi napovedovanje vezave molekul na dani protein, to je, napovedovanje biološke aktivnosti molekul, kar je uporabno predvsem v razvoju novih zdravil.
Nameravamo izpeljati nove metodološke rešitve za napovedovanje in preučevanje proteinskih vezavnih mest, ki temeljijo na pristopih teorije grafov, matematične kemije, v povezavi z metodami za simulacijo molekulske dinamike. Proteinska vezavna mesta so v zadnjem času predmet intenzivnih raziskav, predvsem zaradi njihove ključne vloge pri načrtovanju novih zdravil, pa tudi spoznanja, da so celični procesi v veliki meri odvisni od interakcij endogenih molekul z vezavnimi mesti. Za razvoj novih zdravil je pomembna predvsem struktura vezavnih mest in njihova dinamika, to je, kako se njihova struktura spreminja v času, na primer ob vezavi molekule. Proučevanje vezavnih mest spodbuja tudi razvoj strukturne genomike, znanstvenega področja, katerega cilj je določitev tridimenzionalnih struktur proteinov za vse obstoječe proteine kot tudi določitev bioloških funkcij teh proteinov. Slednje pa je pogojeno s poznavanjem proteinskih vezavnih mest. Zato narašča potreba po razvoju računskih pristopov, ki bodo hitro in natančno napovedovali vezavna mesta na teh proteinih.
Eden izmed ciljev projekta je združitev spletnega strežnika ProBiS z metodami molekulske dinamike v novo spletno orodje, ki bo raziskovalcem omogočalo napovedovanje biološko aktivnih molekul in študij njihove dinamike v napovedanih vezavnih mestih, pri čemer bo dinamika pomembna za določitev proste energije vezave. Novo spletno orodje bo združevalo dve med seboj zelo različni področji, to je, teorijo grafov in molekulsko dinamiko, ki sta naši glavni raziskovalni temi že vrsto let.
Oddelek za aplikativno naravoslovje
