OPUS 25 nr umowy UMO-2023/49/B/ST4/04326

Tytuł projektu: Nowe zastosowania niekonwencjonalnej metodologii nieempirycznej w analizie katalitycznych i inhibicyjnych właściwości biocząsteczek

Kierownik projektu: dr inż. Edyta Dyguda-Kazimierowicz

Dofinansowanie: 508 312,00 PLN

Okres realizacji: od 2024-10-01 do 2028-09-30

Opis projektu: W ramach niniejszego projektu wykorzystamy różne metody obliczeniowe opracowane w naszym laboratorium, aby odkryć molekularne podstawy działania najbardziej wydajnych enzymów. Skupiając się na fizycznej naturze oddziaływań w miejscach aktywnych enzymów, będziemy badać możliwy związek między kowalencyjnym wiązaniem stanu przejściowego reakcji a niezwykle wysoką aktywnością enzymatyczną. Innym ważnym tematem, który planujemy zbadać, jest reakcja deaminacji cytozyny, która może być związana z częstymi mutacjami w DNA. Kluczowym elementem naszej metodologii jest koncepcja pola katalitycznego, która polega na określeniu rozkładu ładunków idealnego katalizatora poprzez kwantowo-chemiczne obliczenia potencjałów elektrostatycznych stanu przejściowego i substratów reakcji. Dzięki zastosowaniu podejścia „bottom-up”, możemy analizować i konstruować optymalne otoczenie katalityczne, nie polegając na licznych arbitralnych założeniach, które często są konieczne w konwencjonalnych metodach „top-down”, obejmujących rozważanie całego złożonego enzymu, składającego się z tysięcy atomów. W omawianym projekcie planujemy zbadać inne zastosowania pól katalizatorów w analizie pewnych cech enzymów, które nie są jeszcze w pełni zrozumiane. Inhibicja enzymów, polegająca na zmniejszaniu lub zapobieganiu aktywności enzymu, często zachodzi poprzez wiązanie cząsteczki ligandu (inhibitora) do miejsca aktywnego enzymu. Ocena oddziaływań między białkiem a ligandem ma kluczowe znaczenie w dziedzinie odkrywania i projektowania leków. Metody obliczeniowe, takie jak dokowanie molekularne, są powszechnie stosowane do przewidywania i oceny tych oddziaływań. Dzięki funkcjom oceniającym badacze mogą oszacować powinowactwo wiązania i przewidzieć najkorzystniejszy sposób wiązania między białkiem a ligandem. Powszechnie stosowane empiryczne funkcje oceniające mają ograniczoną uniwersalność, a jakość uzyskanych wyników zależy od układu. Opracowany w naszej grupie nieempiryczny model okazał się przewyższać pod względem jakości wyników wiele empirycznych funkcji oceniających. W ramach niniejszego projektu użyjemy wspomnianego modelu do oceny sposobów wiązania białko-ligand generowanych przez programy dokujące, aby ocenić jego zdolność do przewidywania optymalnego sposobu oddziaływania. Wyniki naszych badań są ważne dla dziedzin projektowania enzymów i leków. Ustalenie wkładu wiązania kowalencyjnego stanu przejściowego do aktywności enzymatycznej, związane ze zrozumieniem mechanizmów katalizy najbardziej wydajnych enzymów, umożliwi udoskonalenie metod projektowania enzymów de novo, poprzez wskazanie tych cech enzymów, które nie mogą zostać pominięte w procesie projektowania. Identyfikacja sekwencji DNA, która zwiększa ryzyko mutacji związanej z deaminacją cytozyny, znacznie rozwinie naszą wiedzę na temat mutacji genetycznych. Wreszcie, potwierdzenie skuteczności naszego modelu niempirycznego w wyborze optymalnego sposobu wiązania białko-ligand znacząco poprawi jakość wyników dokowania.