Laboratorij za molekularno strukturno dinamiko
Naša raziskovalna dejavnost je organizirana okoli 5 izbranih temeljnih tematik, katerih skupni koncept je dinamika kompleksnih biomolekularnih sistemov:
1) Hidrofobnost in hidratacija biomolekul.
Voda je pomemben udeleženec pri stabilnosti, strukturi, dinamiki in funkciji beljakovin in drugih biomolekul (Ball, 2017). Voda pomembno sodeluje pri procesu zvitja preko hidrofobnih interakcij in posreduje pri vezavi preko tvorbe vodikovih vezi pri nastanku kompleka. Voda je partner, ki se prilagaja dinamiki beljakovin, interakcija vode z beljakovinami pa vpliva na njihovo dinamiko. Termodinamske spremembe v vodnem okolju kritično vplivajo na stabilnost biomolekul. Navkljub izjemnemu pomenu in intenzivnemu raziskovanju že več kot 50 let, je hidrofobni učinek in njegov fizikalni izvor še vedno predmet razprave (Bagchi, 2013). Zaradi zanimive narave tega pojava je pomembno razumeti pojav na preprostih sistemih.
2) Dinamični mehanizem vezave liganda na protein.
Vezava ligandov na specifična mesta proteinov (vezavni žepi na proteinih) se uporablja za preklop med različnimi funkcionalnimi stanji proteinov. Zato je podrobna fizikalno-kemijska karakterizacija vezave liganda na protein bistvena za razumevanje mnogih bioloških procesov, ki se pojavljajo v živih organizmih, vključno z molekularnim prepoznavanjem, regulacijo signalizacije in encimsko katalizo. Prav tako je ključnega pomena za razvoj na tarči osnovanega načrtovanja in odkrivanja malo molekulskih zdravil za zdravljenje bolezni. V splošnem lahko vezava ligand-protein poteka preko vzporednih mehanizmov z različnim doprinosom modela induciranega prileganja ter modela konformacijskega izbora (Greives, 2014).
3) Razumevanje intrinzično neurejenih proteinov.
Raziskave pojava proteinske intrinzične motnje so se v zadnjih letih povečale, saj so prisotni vse večji dokazi o pomenu tega razreda proteinov znotraj proteoma. Od odkritja prvih intrinzično neurejenih proteinov (INP) na začetku 90. let prejšnjega stoletja, je število validiranih INP ali proteinov, ki vsebujejo intrinzično neurejene regije (INPR), naraslo na več kot 1000 proteinov, opisanih v literaturi (Uversky, 2017). Že sam obstoj teh proteinov je izpodbijal naše razumevanje strukture proteinov in teorij zvitja proteinov.
4.) Transportni mehanizmi preko membranskih proteinov.
Prenos molekul preko celične membrane s strani membranskih proteinov je eden izmed najbolj esencialnih bioloških procesov v vseh živih organizmih. Membranski proteini/transporterji se lahko poleg njihove vloge specifičnih prenašalcev za ione in male molekule, obnašajo tudi kot vodni kanali (Zeuthen 2010). Vendar, niti lokacija poti za vodo, niti njen funkcionalni pomen, ni znan. Membranski prenašalci opravljajo svojo nalogo ob tem ko interagirajo z lipidnimi molekulami in vodo. Eksplicitni prikaz teh molekulskih zvrsti v atomističnih MD simulacijah nam omogoča da preizkusimo več različnih mehanizmov, ki lahko vplivajo na prenašalno funkcijo (Li 2015). Proces transporta v membranskih proteinih obsega zelo raznolike dogodke strukturnih sprememb, ki obsegajo vse od lokalnih prerazporeditev pri vezavnih mestih ter pri vhodnih elementih, do globalnih konformacijskih prehodov. V odvisnosti od časovne skale za te dogodke, jih lahko opisujemo bodisi s klasičnimi simulacijami MD, ali pa uporabimo druge metode poenostavitve modela ali izboljšanja vzorčenja.
5) Težnja proteinov k agregaciji (tvorba amiloidov).
Samoizgradba proteinov je pomemben generični mehanizem, ki ponuja neomejen vir različnih lastnosti in funkcij (Dobson, 2002). Poleg tega je napačno zvitje in naknadna samoizgradba peptidnih in proteinskih molekul v različne agregate pogost molekularni mehanizem številnih smrtonosnih človeških bolezni (Knowles, 2014). Mehanizem napačnega zvitja in agregacije peptidov in proteinov je slabo razumljen. Nejasni so tudi razlogi in iniciatorji konformacijskih sprememb peptidov in proteinov pri tvorbi patoloških agregatov in vivo. Zato bi razumevanje mehanizma zvitja/razvitja, stabilnosti proteinov in struktur napačno zvitih proteinov in modelnih vlaknatih proteinov bistveno izboljšalo sedanje razumevanje teh fizioloških procesov.
Shema:
Koncept raziskave z nalogami članov laboratorija.
Reference
Bagchi B., Water in Biological and Chemical Processes, Cambridge UP, (2013).
Ball P., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 114, 13327-13335 (2017).
Dobson C.M. , Nature, 418, 729-730 (2002).
Greives N., Zhou H.X., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 111, 10197−10202 (2014).
Uversky V. N., Cell Mol Life Sci., 74, 3065-3067 (2017).
Zeuthen T, J. Membr. Biol 234, 57-73, (2010).
Li J., Wen P.-C., Moradi M., Tajkhorshid E, Curr. Op. Struct. Biol. 31, 96-105, (2015).
Knowles P.J.T, et. al., Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 15, 384–396 (2014).
Reference članov ekipe iz predstavljenih tem
Avbelj F., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 108, 1794-1798 (2011).
Avbelj F., Golič Grdadolnik S., Grdadolnik J.,et al, PNAS. U.S.A.,103, 1272-1277 (2006).
Balog E., Perahia D., Smith J.C., Merzel F., J. Phys. Chem. B., 115, 6811-7 (2011).
Godec A., Smith J.C. and Merzel F., Phys. Rev. Lett. 107, 267801 (2011).
Godec A., Merzel F., J. Am. Chem. Soc. 134, 17574 (2012).
Godec, A., Smith, J.C. Merzel, F., Phys Rev Lett 111, 127801 (2013).
Grdadolnik J., Merzel F., Avbelj F., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 114, 322 (2017).
Grdadolnik J., Mohaček-Grošev V., Baldwin R. L.,Avbelj F., PNAS. U. S. A., 108, 1794-1798 (2011)
Merzel F., Fontaine-Vive F., et al., J. Phys. Rev. E, 76, 031917-1-031917-5 (2007).
Mirtič A., Grdadolnik J., Biophys Chem., vol. 175-176, 47-53 (2013).
Mirtič A, Merzel F., Grdadolnik J., Biopolymers 101, 814-818 (2014).
Novak U., PhD Thesis, Josef Stefan post Graduate school, 2017
Novak U., Grdadolnik J., J. Mol. Struct., 1135, 138-143 (2017).
Paoletti F., et al., Biochem. Soc. Trans., 34, 605–606 (2006).
Paoletti F., et al.., Proteins, 75, 990–1009 (2009).
Paoletti F., et al.., PloS One, 6, e22615 (2011).
Simčič M., Kocjan D., Golič Grdadolnik, et al. S. J. Med. Chem., 52, 2899-908 (2009).
Simčič M., Golič Grdadolnik S., et al., PLoS One, 7(12), e52817 (2012).
Simčič M., Kocjan D., Golič Grdadolnik S., et al, Eur. J. Med. Chem., 83, 92-101 (2014).
van Eijck L, Merzel F, et al., 2011 107 088102, (2011).
Zidar J., Merzel F., J. Phys. Chem. B, vol. 115, 2075-2081 (2011).